La partícula al final de universo

La partícula al final de universo www.librosmaravillosos.com Sean Carroll

Colaboración de Alfredo Pombo 1 Preparado por Patricio Barros



Reseña

El bosón de Higgs ha sido descrito por muchos como el mayor

avance en la comprensión de nuestro universo y como uno de los

descubrimientos científicos más fascinantes de nuestro tiempo.

Fundamental para comprender por qué existe la masa y por qué

existen los átomos, esta escurridiza partícula ha sido hallada por fin

después de una inversión de 9.000 millones de dólares, décadas de

esfuerzo y el trabajo de cerca de seis mil investigadores en el Gran

Colisionador de Hadrones de Ginebra.

El físico del Caltech, Sean Carroll, lleva a los lectores entre los

bastidores del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, para

encontrarse con teóricos, ingenieros y experimentalistas, arroja luz

sobre este hito científico y explica la ciencia del bosón de Higgs,

erróneamente conocido como «la partícula divina».

Con el bosón se descubre la última pieza del rompecabezas de la

materia ordinaria: los átomos y las fuerzas que subyacen en todas

partes, desde el ADN hasta el calentamiento global. Ahora se abre

una puerta de entrada a lo extraordinario: el alucinante mundo de

la materia oscura y más allá.

La partícula al final del universo no solo explica la importancia del

bosón de Higgs, sino también la del Gran Colisionador de Hadrones.

Una historia de cómo el ansia de conocimiento del ser humano ha

conducido el mayor logro científico de nuestro tiempo.



Índice

Prólogo

1. La idea

2. A vueltas con lo divino

3. Átomos y partículas

4. La historia del acelerador

5. La máquina más grande jamás construida

6. Hacia la sabiduría a base de choques

7. Partículas en las ondas

8. A través de un espejo roto

9. El mundo a sus pies

10. Difundiendo el mensaje

11. Sueños del Nobel

12. Más allá de este horizonte

13. Que merezca la pena defenderlo

Apéndice 1: Masa y espín

Apéndice 2: Las partículas del Modelo Estándar

Apéndice 3: Las partículas y sus interacciones

Lecturas adicionales

Referencias

Agradecimientos

Imágenes

El autor



Para mi madre, que me llevaba a

la biblioteca

La gente subestima el impacto que

una nueva realidad puede tener.

Joe Incandela, portavoz del

experimento CMS en el Gran

Colisionador de Hadrones

Prólogo

JoAnne Hewett siente vértigo, pero no deja de sonreír ni por un

momento mientras habla entusiasmada ante una cámara de vídeo.

Los asistentes a la fiesta en el consulado suizo de San Francisco

hacen mucho ruido. La ocasión es muy especial: celebran que los

primeros protones han empezado a circular por el túnel subterráneo

del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider), a

las afueras de Ginebra; un enorme acelerador de partículas situado

en la frontera entre Francia y Suiza que ha comenzado su andadura

para desentrañar los secretos del universo. Corre el champán, y no

es de extrañar. La voz de Hewett se eleva enfática: «Llevo esperando

este día vein-ti-cin-co años».

Es un momento importante. A estas alturas, en 2008, los físicos por

fin han obtenido lo que llevaban tanto tiempo pidiendo para dar el

siguiente gran paso adelante: un acelerador de partículas gigante

que haga chocar entre sí protones de muy alta energía. Hubo un



tiempo en que pensaron que lo construiría Estados Unidos, pero las

cosas no salieron como se esperaba. Hewett estaba empezando su

doctorado, en 1983, cuando el Congreso estadounidense aprobó la

construcción en Texas del Supercolisionador Superconductor (SSC,

Superconducting Super Collider). Estaba previsto que entrase en

funcionamiento antes del año 2000, y habría sido el mayor

colisionador jamás construido. Hewett, como tantos otros físicos

brillantes y ambiciosos de su generación, pensaba que los

descubrimientos que se realizarían en él constituirían los cimientos

de sus carreras como investigadores.

Pero el SSC se canceló, lo que supuso una tremenda decepción para

los físicos que confiaban en que serviría para marcar la dirección en

que su disciplina evolucionaría en las décadas venideras. La

política, la burocracia y las luchas internas lo impidieron. Ahora, el

LHC, similar en muchos sentidos a como habría sido el SSC, está a

punto de ponerse en marcha por primera vez, y Hewett

y sus colegas están más que preparados para ello. «Durante los

últimos veinticinco años, me he dedicado a tomar cualquier teoría

que se propusiese, por disparatada que fuera, y calcular su

signatura (la manera en que identificamos nuevas partículas) en el

SSC o en el LHC.»

Existe otra razón más personal para explicar el vértigo que siente

ahora Hewett. En el vídeo, lleva el pelo muy corto, casi rapado al

cero. No es por capricho: unos meses antes, le diagnosticaron un

cáncer de mama invasivo, y tenía alrededor de un 20 por ciento de

probabilidades de que fuese terminal. Optó por un tratamiento muy



agresivo, que incluía duras sesiones de quimioterapia y una

sucesión en apariencia interminable de operaciones. Su

característica melena pelirroja, que normalmente le caía hasta la

cintura, desapareció enseguida. Había veces, reconoce entre risas,

en que para mantener la moral alta pensaba en las nuevas

partículas que encontrarían en el LHC.

JoAnne y yo nos conocemos desde hace años, somos colegas y

amigos. Mi experiencia profesional se limita principalmente a la

cosmología, el estudio del universo en su conjunto, un campo que

ha entrado recientemente en una era dorada de datos nuevos y

descubrimientos sorprendentes. La física de partículas, que, como

disciplina intelectual, ha acabado siendo inseparable de la

cosmología, sin embargo ha echado en falta nuevos resultados

experimentales que sacudiesen el panorama teórico y nos

permitiesen avanzar hacia nuevas ideas. La presión ha ido

aumentando desde hace mucho tiempo. A otro de los físicos que

asiste a la fiesta, Gordon Watts, de la Universidad de Washington, le

preguntaron si la larga espera hasta la llegada del LHC había sido

estresante. «Sí, totalmente. Mi mujer dice que este mechón de pelo

gris que tengo es culpa de mi hijo, pero en realidad es por el LHC.»

La física de partículas está a punto de entrar en una nueva era, en

la que algunas teorías se derrumbarán con estrépito y quizá se

confirme que alguna de ellas es correcta. Cada uno de los físicos

que está en la fiesta tiene su propio modelo favorito: bosones de

Higgs, supersimetría, tecnicolor, dimensiones adicionales, materia

oscura, una amplia variedad de ideas exóticas con repercusiones



fantásticas.

«Lo que espero es que el LHC no encuentre “ninguna de las

anteriores” — dice Hewett con entusiasmo—. Sinceramente, creo

que va a ser una sorpresa, porque la naturaleza es más inteligente

que todos nosotros y aún nos reserva unas cuantas sorpresas.

Vamos a disfrutar de lo lindo tratando de entenderlo todo. ¡Va a ser

estupendo!»

Pero eso fue en 2008. En 2012, la fiesta en San Francisco para

celebrar la inauguración del LHC ha terminado, y la era de

descubrimientos ya ha dado comienzo oficialmente. Su melena ha

resurgido. El tratamiento fue agotador, pero parece que ha dado

resultado. Y el experimento que llevaba toda su carrera esperando

está haciendo historia. Tras dos décadas y media dedicada a la

teoría, sus ideas por fin se están poniendo a prueba con datos

reales, de partículas e interacciones que el ser humano nunca antes

había visto, sorpresas que la naturaleza nos había estado

reservando... Hasta ahora.

Demos un salto en el tiempo hasta el 4 de julio de 2012, jornada

inaugural de la Conferencia Internacional sobre Física de Altas

Energías. Es una reunión bianual, que se celebra cada vez en una

ciudad diferente. Este año tiene lugar en Melbourne, en Australia.

Cientos de físicos de partículas, incluida Hewett, llenan el auditorio

principal para asistir a un seminario especial. Toda la inversión

realizada en el LHC, todas las expectativas que se han creado a lo

largo de los años, están a punto de dar sus frutos.

El seminario se retransmite desde el CERN, el laboratorio en



Ginebra donde está ubicado el LHC. Hay dos presentaciones, que en

otras circunstancias se habrían celebrado en Melbourne como parte

del programa de conferencias. Pero, en el último minuto, los poderes

fácticos decidieron que un momento de tal trascendencia se debía

compartir con todas las personas que habían contribuido al éxito

del LHC. El gesto era de agradecer: cientos de físicos hicieron cola

en el CERN durante horas para poder asistir a las conferencias,

cuyo inicio estaba previsto a las nueve de la mañana, haciendo

noche con sus sacos de dormir para tratar de conseguir un buen

sitio.

Rolf Heuer, director general del CERN, se encarga de presentar a los

conferenciantes: el físico estadounidense Joe Incandela y la física

italiana Fabiola Gianotti, portavoces de los dos grandes

experimentos que recopilan y analizan los datos del LHC. En cada

uno de los experimentos colaboran más de tres mil físicos, la

mayoría de los cuales están pegados a las pantallas de sus

ordenadores en diversos rincones del planeta. El acontecimiento se

está retransmitiendo en directo por internet, no solo a Melbourne,

sino para todo aquel que, en cualquier lugar del mundo, quiera

conocer los resultados en tiempo real. Es el medio apropiado para

esta celebración de la Gran Ciencia moderna: un proyecto

internacional con mucho en juego y que promete ofrecernos

recompensas estimulantes.

En las palabras tanto de Gianotti como de Incandela queda patente

cierta tensión nerviosa, pero las presentaciones hablan por sí solas.

Ambos ofrecen su sincero agradecimiento a todos los ingenieros y



científicos que han contribuido a hacer posibles los experimentos. A

continuación, explican en detalle por qué habríamos de confiar en

los resultados que están a punto de presentar, dejando patente que

entienden cómo funcionan sus aparatos y que el análisis de los

datos es preciso y fiable. Solo después haber preparado

meticulosamente el escenario nos revelan lo que han averiguado.

Ahí está: un puñado de gráficos en los que un ojo inexperto no vería

gran cosa, pero con una característica recurrente: más eventos

(recolección de partículas provenientes de una única colisión) de los

esperados a una determinada energía en particular. Todos los

físicos que se encuentran entre el público saben de inmediato lo que

eso significa: una nueva partícula. El LHC ha vislumbrado una

parte de la naturaleza que hasta ahora nunca nadie había visto.

Incandela y Gianotti repasan el concienzudo análisis estadístico que

se ha llevado a cabo con el objetivo de separar los descubrimientos

reales de las inoportunas fluctuaciones estadísticas, y los resultados

en ambos casos no dejan margen a la ambigüedad: esto es algo real.

Aplausos. En Ginebra, en Melbourne, en todo el mundo. Los datos

son tan precisos y claros que incluso algunos científicos que

trabajaron durante años en los experimentos están sorprendidos.

Lyn Evans, el físico galés responsable, más que ninguna otra

persona, de haber llevado el LHC a buen puerto tras una azarosa

travesía, reconoció que estaba «alucinado» por el extraordinario

grado de concordancia entre los dos experimentos.

Ese día yo también estaba en el CERN, haciéndome pasar por

periodista en una sala de prensa próxima al auditorio. Se supone



que los periodistas no deben aplaudir ante los acontecimientos que

cubren, pero los reporteros allí congregados nos dejamos llevar por

la emoción del momento. El éxito no era solo del CERN, o de la

física. Era un éxito de toda la humanidad.

Creemos que sabemos qué es lo que hemos encontrado: una

partícula elemental denominada «bosón de Higgs», en honor del

físico británico Peter Higgs, que se encontraba en la sala donde se

celebraron los seminarios. A sus ochenta y tres años, estaba

visiblemente emocionado: «Nunca imaginé que llegaría a ver esto».

También estaban presentes otros físicos veteranos que habían

propuesto la misma idea en 1964. Las convenciones que se siguen

para darles nombre a las teorías no siempre son justas, pero en ese

momento todos podían sumarse a la celebración.

¿Qué es el bosón de Higgs? Es una de las partículas fundamentales

de la naturaleza, que no son tantas. De hecho, se trata de un tipo de

partícula muy especial. La física de partículas moderna contempla

tres tipos de partículas: las partículas de materia, como los

electrones y los quarks, que constituyen los átomos que forman todo

lo que vemos a nuestro alrededor; las partículas de fuerza que

transmiten la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas

nucleares, que mantienen unidas las partículas de materia; y luego

está el Higgs, único en su categoría.

El Higgs no es importante por lo que hace, sino por lo que es. La

partícula de Higgs surge de un campo que se extiende por todo el

espacio, conocido como el «campo de Higgs». Todas las cosas que

existen en el universo visible, cuando se mueven en el espacio se



desplazan a través del campo de Higgs, que siempre está ahí, en un

discreto segundo plano. Pero es importante: sin el Higgs, los

electrones y los quarks no tendrían masa, como los fotones, las

partículas de luz. Se moverían también a la velocidad de la luz, la

formación de átomos y moléculas sería imposible, no digamos ya la

existencia de vida tal y como la conocemos. El campo de Higgs no es

un agente activo en la dinámica de la materia ordinaria, pero su

presencia en segundo plano es fundamental. Sin él, el mundo sería

un lugar completamente distinto. Y lo hemos encontrado.

Sin embargo, conviene ser prudentes. Lo que tenemos entre manos

en realidad son evidencias de una partícula muy parecida al Higgs.

Tiene la masa adecuada y se produce y se desintegra

aproximadamente como cabía esperar. Pero aún es pronto para

asegurar que lo que hemos descubierto es sin lugar a dudas el Higgs

sencillo que predicen los modelos originales. Podría tratarse de algo

más complicado, o formar parte de una compleja red de partículas

interrelacionadas. De lo que no cabe duda es que hemos encontrado

una nueva partícula, que se comporta como creemos que debería

hacerlo el Higgs. En este libro, tomaremos el 4 de julio de 2012

como el día en que se anunció el descubrimiento del bosón de Higgs.

Si se acaba demostrando que la realidad es más sutil, mucho mejor

para todos: a los físicos nos encantan las sorpresas.

Hay muchas esperanzas depositadas en que el descubrimiento del

Higgs represente el comienzo de una nueva era en la física de

partículas. Sabemos que hay física más allá de lo que entendemos a

día de hoy, y el estudio del bosón de Higgs nos permite asomarnos a



mundos aún por explorar. Los físicos experimentales como Gianotti

e Incandela tienen un nuevo espécimen que estudiar; los teóricos

como Hewett disponen de nuevas pistas a partir de las cuales

construir mejores modelos. Hemos dado un gran paso adelante en la

comprensión del universo, algo que llevábamos mucho tiempo

esperando.

Esta es la historia de las personas que han dedicado sus vidas a

descubrir la naturaleza última de la realidad, de la que el Higgs es

un componente esencial. Entre ellos están los teóricos, armados de

lápiz y papel, y animados a base de café y de acaloradas discusiones

con sus colegas, dándole vueltas en sus cabezas a ideas abstractas.

Están también los ingenieros, que empujan las máquinas y la

electrónica mucho más allá de los límites de la tecnología actual. Y,

sobre todo, están los experimentalistas, que combinan máquinas e

ideas para descubrir nuevos aspectos de la naturaleza. En la física

puntera moderna los proyectos cuestan miles de millones de euros y

tardan décadas en completarse; son proyectos que exigen una

extraordinaria dedicación y estar en disposición de hacer fuertes

apuestas que prometen recompensas incomparables. Cuando se

dan todas estas condiciones, el mundo se transforma.

La vida nos sonríe. Sírvase otra copa de champán.



Capítulo 1

La idea

Donde nos preguntamos por qué un grupo de personas con

talento y ambición dedicarían sus vidas a la búsqueda de

cosas tan pequeñas que no se ven.

La física de partículas es una actividad peculiar. Miles de personas

dedican miles de millones de dólares a construir máquinas gigantes

de varios kilómetros de diámetro, que lanzan partículas

subatómicas a velocidades próximas a la de la luz y hacen que

choquen entre sí, todo para descubrir y estudiar otras partículas

subatómicas cuya repercusión sobre las vidas cotidianas de quienes

no se dedican a la física de partículas es prácticamente nula.

Al menos, esa es una forma de entenderlo. Esta es otra: la física de

partículas es la manifestación más pura de la curiosidad humana

por el mundo en el que vivimos. Los seres humanos siempre nos

hemos hecho preguntas y, desde la antigua Grecia, hace más de dos

mil años, el impulso de explorar se ha transformado en un proyecto

sistemático y de alcance mundial para descubrir las reglas básicas

que rigen el funcionamiento del universo. La física de partículas

surge directamente de nuestro insaciable deseo de entender el

mundo: lo que nos motiva no son las partículas, sino el deseo

humano de comprender lo que no entendemos.

Los primeros años del siglo XXI suponen un punto de inflexión. El

último resultado experimental realmente sorprendente obtenido en

un acelerador de partículas se produjo en la década de 1970, hace



más de treinta y cinco años. (La fecha precisa depende de lo que

cada uno entienda por «sorprendente».) No es porque los

experimentalistas se hayan pasado todo este tiempo dormitando

frente a sus aparatos, ni mucho menos. Las máquinas han

mejorado a pasos agigantados y nos han permitido llegar a ámbitos

que hasta hace bien poco parecían inalcanzables. El problema es

que no han visto nada que no esperásemos encontrar de antemano.

Para los científicos, que siempre anhelan una buena sorpresa, esto

es algo extremadamente molesto.

El problema, dicho de otro modo, no es que los experimentalistas no

hayan estado a la altura, es que la teoría era demasiado buena. En

el mundo especializado de la ciencia moderna, la brecha entre los

roles de «experimentalistas» y «teóricos» ha ido creciendo, en

particular en la física de partículas. Lejos quedan ya los días en que

un genio como el físico italiano Enrico Fermi podía proponer una

nueva teoría de las interacciones débiles y, sin solución de

continuidad, dirigir la construcción del reactor donde se produciría

la primera reacción nuclear en cadena artificial autosostenible. Hoy

en día, los teóricos de partículas garabatean en sus pizarras las

ecuaciones que acabarán dando lugar a modelos específicos,

modelos que pondrán a prueba los experimentalistas, que recopilan

datos con máquinas de una precisión exquisita. Los mejores

exponentes del campo teórico están muy al día de los experimentos,

y viceversa, pero no existe nadie capaz de dominar ambos ámbitos.

Durante la década de 1970, la mejor teoría de la física de partículas

de que disponemos recibió sus últimos retoques. Esta teoría



responde al anodino nombre de «Modelo Estándar», y es la que

describe los quarks, los gluones, los neutrinos y cualquier otra

partícula de la que el lector haya oído hablar. Como los famosos de

Hollywood o los políticos carismáticos, elevamos las teorías a un

pedestal para poder despedazarlas mejor. En física, uno no se hace

famoso por demostrar que la teoría que otra persona propuso es

correcta, sino por poner en evidencia cuáles son sus fallos, o por

proponer una mejor.

Pero el Modelo Estándar es obstinado. Durante décadas, cada uno

de los experimentos que hemos podido llevar a cabo aquí en la

Tierra ha confirmado diligentemente sus predicciones. Toda una

generación de físicos de partículas ha ido ascendiendo por el

escalafón académico, de estudiantes a catedráticos, sin disponer de

un solo fenómeno nuevo que poder descubrir o explicar. La espera

ha llegado a hacerse prácticamente insoportable.

Todo esto está cambiando. El Gran Colisionador de Hadrones,

donde chocan partículas a energías que la humanidad nunca antes

había alcanzado, representa una nueva era para la física. Pero no es

solo que la energía sea más elevada. Se trata de una energía con la

que llevamos años soñando, donde esperamos encontrar nuevas

partículas que la teoría predice y, con suerte, alguna que otra

sorpresa: es la energía donde la fuerza conocida como «interacción

débil» oculta sus secretos.

Hay mucho en juego. Nos asomamos a lo desconocido y puede

suceder cualquier cosa. Infinidad de modelos teóricos compiten

entre sí por predecir lo que el LHC encontrará. No sabemos lo que



habrá allí hasta que miremos. En el centro de todas las

especulaciones se encuentra el bosón de Higgs, una humilde

partícula que representa tanto la última pieza del Modelo Estándar

como el primer atisbo del mundo que existe más allá del mismo.

§. Un gran universo compuesto de pequeñas piezas

Junto a la costa del Pacífico, en el sur de California, a una hora y

media en coche de Los Ángeles, donde vivo, existe un lugar mágico

donde los sueños se hacen realidad: Legoland. En Dino Land, Fun

Town y otras atracciones, los niños se maravillan ante un mundo

intrincado construido a base de Lego, esos pequeños bloques de

plástico que se pueden ensamblar en infinitas combinaciones.

Legoland se parece mucho al mundo real. En cualquier momento

dado, el mundo que nos rodea contiene normalmente todo tipo de

sustancias: madera, plástico, tejidos, cristal, metal, aire, agua,

cuerpos de seres vivos. Objetos de todo tipo, con propiedades muy

diversas. Pero, cuando las miramos más de cerca, descubrimos que

esas sustancias en realidad no son tan distintas entre sí.

Son simplemente distintas maneras de organizar una pequeña

cantidad de bloques fundamentales: las partículas elementales.

Como los edificios de Legoland, las mesas, los coches y las personas

son ejemplos de la asombrosa diversidad que se puede lograr a

partir de un reducido número de piezas sencillas que pueden

combinarse de diversas formas. El tamaño de un átomo es

aproximadamente una billonésima parte del de una pieza de Lego,

pero los principios son similares.



La idea de que la materia está compuesta de átomos nos parece de

lo más natural. Es algo que aprendemos en el colegio, mientras

hacemos experimentos en aulas en cuyas paredes cuelga la tabla

periódica de los elementos. Es fácil perder de vista lo asombroso que

es este hecho. Hay cosas duras y cosas blandas; cosas ligeras y

cosas pesadas; cosas líquidas, sólidas y gaseosas; cosas

transparentes y opacas; cosas vivas y otras que no lo están. Pero,

bajo la superficie, todas esas cosas están en realidad compuestas

del mismo tipo de materia. En la tabla periódica figuran alrededor

de un centenar de átomos, y todo lo que nos rodea no es más que

una combinación de ellos.

La confianza en la idea de que podemos entender el mundo a partir

de unos pocos ingredientes básicos viene de lejos. En la Antigüedad,

varias culturas distintas (babilonios, griegos o hindúes, entre otros)

inventaron un conjunto sorprendentemente consistente de cinco

«elementos», de los que estaban compuestos todos los objetos. Los

que nos resultan más familiares son la tierra, el aire, el fuego y el

agua, pero había también un quinto elemento celestial: el éter o

quintaesencia. (Sí, de ahí viene el nombre de la película de Bruce

Willis y Milla Jovovich, El quinto elemento.) Como sucede con

muchas otras ideas, fue Aristóteles el que desarrolló a partir de ella

un elaborado sistema, según el cual cada elemento tendía a su

estado natural particular: por ejemplo, la tierra tiende a caer y el

aire a ascender. Mezclando los elementos en distintas

combinaciones, podemos obtener las distintas sustancias que vemos

a nuestro alrededor.



Demócrito, un filósofo griego anterior a Aristóteles, afirmó que todo

lo que conocemos está compuesto por diminutas piezas indivisibles,

que llamó «átomos». Por un desafortunado accidente de la historia,

John Dalton, un químico de principios del siglo XIX, se sirvió de

esta terminología para referirse a las partes que definen los

elementos químicos. Hoy en día sabemos que los átomos no son en

absoluto indivisibles: constan de un núcleo compuesto por protones

y neutrones, alrededor del cual órbita un conjunto de electrones. Ni

siquiera los protones y los neutrones son indivisibles, pues están a

su vez compuestos por piezas aún más pequeñas denominadas

«quarks».

Los quarks y los electrones son los verdaderos átomos, en el sentido

de elementos indivisibles de la materia que el término tenía para

Demócrito. Hoy en día los llamamos «partículas elementales». Los

protones y neutrones del núcleo atómico están formados por dos

tipos de quarks, conocidos juguetonamente como «up» («arriba») y

«down» («abajo»). De manera que, a fin de cuentas, nos basta con

tres partículas elementales para formar cualquier pedazo de la

materia que percibimos directamente a nuestro alrededor:

electrones, quarks up y quarks down. Un avance respecto a los cinco

elementos de la Antigüedad, y una gran mejora respecto a la tabla

periódica.

Pero reducir el mundo a tan solo tres partículas es un poco

excesivo. Aunque los electrones y los quarks up y down nos bastan

para dar cuenta de los coches, los ríos y los cachorros, no son las

únicas partículas que hemos descubierto. De hecho, existen doce



tipos distintos de partículas de materia: seis quarks, sujetos a la

interacción fuerte y confinados dentro de conjuntos más amplios,

como los protones y los neutrones, y seis «leptones», que pueden

desplazarse independientemente por el espacio. También tenemos

las partículas portadoras de las fuerzas, que los mantienen unidos

en las diferentes combinaciones que vemos. Sin las partículas de

fuerza, el mundo sería un lugar muy aburrido: las partículas

individuales se moverían por el espacio únicamente en línea recta, y

nunca interaccionarían entre sí. El conjunto de ingredientes que

necesitamos para explicar todo lo que vemos a nuestro alrededor es

bastante reducido, pero la verdad es que podría serlo aún más. A los

físicos de partículas modernos les mueve el deseo de conseguir

hacerlo mejor.

§. El bosón de Higgs

El Modelo Estándar de la física de partículas consiste en: doce

partículas de materia, más un grupo de partículas transmisoras de

las fuerzas que las mantienen unidas. No es la representación más

pulcra del mundo, pero concuerda con todos los datos. Hemos

reunido todas las piezas que necesitamos para describir

satisfactoriamente el mundo que nos rodea, al menos aquí en la

Tierra. Tenemos evidencia de que en el espacio existen cosas como

la materia oscura y la energía oscura, que, por si acaso hiciera falta,

nos recuerdan obstinadamente que aún nos quedan muchas cosas

por entender. Porque el Modelo Estándar no las explica.

En general, el Modelo Estándar se divide nítidamente entre



partículas de materia y partículas portadoras de las fuerzas. El

bosón de Higgs es diferente. Esta partícula, que debe su nombre a

Peter Higgs, una de las personas que propusieron la idea en la

década de 1960, es una especie de patito feo. Técnicamente, es una

partícula transmisora de fuerza, pero distinta de las que estamos

más acostumbrados a encontrarnos. Desde el punto de vista de un

físico teórico, el Higgs parece un añadido arbitrario y caprichoso a

una estructura por lo demás hermosa. Si no fuese por el bosón de

Higgs, el Modelo Estándar sería el paradigma de la elegancia y la

virtud; en cambio, con él, es un lío. Y encontrar al culpable del

desaguisado no ha resultado ser una tarea sencilla.

Entonces, ¿por qué tantos físicos estaban convencidos de que tenía

que existir el bosón de Higgs? El lector oirá explicaciones como:

«para proporcionar masa a otras partículas» y «para romper

simetrías». Ambas son ciertas, pero no es fácil hacerse una idea

rápida de lo que significan. Lo fundamental es que, sin el bosón de

Higgs, el Modelo Estándar tendría un aspecto muy diferente y no se

parecería en nada al mundo real. Con el bosón de Higgs, encaja

perfectamente.

Los físicos teóricos intentaron por todos los medios encontrar

teorías que no incorporasen un bosón de Higgs, o en las que el

bosón fuese muy distinto del que predice el Modelo Estándar.

Muchas de estas teorías no superaron la prueba de la confrontación

con los datos, y otras eran innecesariamente complicadas. Ninguna

parecía aportar una verdadera mejora.

Y ahora hemos encontrado el Higgs. O algo que se le parece mucho.



Dependiendo del cuidado que pongan al referirse a él, los físicos

dirán cosas como: «Hemos descubierto el bosón de Higgs», o «Hemos

descubierto una partícula de tipo Higgs, o incluso «Hemos

descubierto una partícula que se parece al Higgs». El anuncio del 4

de julio describía una partícula que se comporta de forma muy

parecida a como se supone que debería hacerlo el Higgs: se

desintegra en otras partículas aproximadamente de la manera en

que esperábamos que lo hiciera. Pero aún es pronto y, mientras

seguimos recopilando datos, queda mucho margen para la sorpresa.

Los físicos no quieren que sea el Higgs que todos esperamos;

siempre es más interesante y divertido encontrar algo inesperado.

En los datos actuales hay pequeños indicios de que la nueva

partícula podría no ser exactamente el Higgs que esperamos. Solo

saldremos de dudas con más experimentos.

§. Por qué es importante

Una vez me hicieron una entrevista sobre física de partículas,

gravitación, cosmología y demás en una radio local. Era 2005 y se

cumplía el centenario de 1905, el «año milagroso» de Albert Einstein,

cuando publicó un conjunto de artículos que pusieron patas arriba

el mundo de la física. Hice lo que pude para explicar algunos de

esos abstractos conceptos, gesticulando con las manos, algo que no

puedo evitar hacer ni siquiera cuando sé que estoy en la radio.

El entrevistador parecía contento, pero, cuando ya habíamos

terminado y mientras recogía su equipo de grabación, se le encendió

una bombilla en la cabeza. Me preguntó si le podría responder a



una pregunta más. Por supuesto, le dije, y volvió a sacar el

micrófono y los auriculares. La pregunta era sencilla: «¿Por qué

habría de importarle a alguien todo esto?». Al fin y al cabo, no iba a

ayudarnos a encontrar la cura del cáncer, ni a fabricar un teléfono

inteligente más barato.

La respuesta que se me ocurrió entonces me sigue pareciendo

razonable: «A los seis años, todo el mundo hace preguntas como

esta. ¿Por qué el cielo es azul? ¿Por qué caen las cosas? ¿Por qué

unas cosas están frías y otras calientes? ¿Cómo funciona todo

esto?». No tenemos que aprender a interesarnos por la ciencia: los

niños son científicos natos. Todos esos años que pasamos

formándonos y las presiones de la vida real acaban con esa

curiosidad innata. Empezamos a preocuparnos por conseguir

trabajo, conocer a alguien especial, criar a nuestros hijos; dejamos

de preguntarnos cómo funciona el mundo y empezamos a

preguntarnos cómo podemos hacer que nos funcione a nosotros.

Más tarde encontré estudios que demostraban que a nuestros hijos

les encanta la ciencia hasta que alcanzan edades de entre diez y

catorce años.

Hoy en día, después de más de cuatrocientos años dedicados

concienzudamente a la aventura de la ciencia, tenemos muy pocas

respuestas que darle al niño de seis años que llevamos dentro.

Sabemos tanto sobre el mundo físico que las preguntas aún sin

respuesta tenemos que encontrarlas en lugares remotos y

ambientes extremos. Así es en la física, al menos; en campos como

la biología o la neurociencia no es difícil encontrar preguntas cuyas



respuestas aún se nos escapan. Pero la física —al menos el

subcampo de la física «fundamental», que estudia los elementos

básicos que constituyen la realidad— ha hecho que avance tanto el

horizonte de nuestra comprensión que necesitamos construir

aceleradores y telescopios gigantes para recopilar nuevos datos que

no encajen con nuestras teorías actuales.

Una y otra vez a lo largo de la historia de la ciencia, la investigación

básica — la que se lleva a cabo por mera curiosidad, pues no ofrece

ningún beneficio tangible inmediato— ha demostrado, casi a su

pesar, que sí que proporciona enormes beneficios tangibles. Allá por

1831, un político inquisitivo le preguntó a Michael Faraday, uno de

los padres de la idea moderna del electromagnetismo, sobre la

utilidad de esa cosa nueva de la «electricidad». Su respuesta apócrifa

fue: «La desconozco, pero estoy convencido de que algún día su

gobierno nos hará pagar impuestos por ella». (Las pruebas de que

esta conversación se produjese son escasas, pero la historia es tan

buena que la gente sigue contándola.) Un siglo más tarde, varias de

las mentes más preclaras de la ciencia se las veían con el nuevo

campo de la mecánica cuántica, arrastrados por varios resultados

experimentales desconcertantes que terminarían por sacudir los

cimientos de toda la física. Por aquel entonces era algo bastante

abstracto, pero con el tiempo dio lugar a los transistores, los

láseres, la superconductividad, los diodos emisores de luz (LED,

Light-Emitting Diodes) y todo lo que sabemos sobre la energía

nuclear (y las armas nucleares). De no ser por la investigación

básica, el mundo actual sería un lugar completamente distinto.



Incluso la relatividad general, la deslumbrante teoría del espacio y el

tiempo de Einstein, tiene aplicaciones prácticas. Si alguna vez ha

utilizado un aparato GPS (Global Positioning System: Sistema de

Posicionamiento Global) para ver cómo llegar a algún lugar, ha

hecho uso de la relatividad general. Una unidad GPS, como la que

incorpora su teléfono móvil o el sistema de navegación de su coche,

recibe señales de un conjunto de satélites en órbita y a partir de

una medición precisa del tiempo de esas señales calcula por

triangulación la ruta hasta un punto sobre la superficie terrestre.

Pero, según Einstein, los relojes que están en órbita (y, por tanto,

sometidos a un campo gravitatorio más débil) marcan el tiempo un

poquito más rápido que los que se encuentran al nivel del mar. Un

efecto pequeño, desde luego, pero que se va acumulando. Si no

tuviésemos en cuenta la relatividad, las señales GPS irían perdiendo

precisión (y utilidad) progresivamente y, al cabo de un solo día, el

error en la localización sería de varios kilómetros.

Pero las aplicaciones tecnológicas, aunque importantes, no son en

última instancia lo fundamental para JoAnne Hewett, para mí, o

para cualquiera de los físicos experimentales que dedican tantas

horas a construir equipos y a revisar datos. Cuando se producen,

son estupendas, y todos estaremos encantados si alguien utiliza el

bosón de Higgs para encontrar un remedio para el envejecimiento.

Pero esa no es la razón por la que lo buscamos. Tratamos de

encontrarlo porque somos curiosos. El Higgs es la última pieza de

un rompecabezas que llevamos muchísimo tiempo intentando

resolver. Encontrarlo es en sí mismo nuestra recompensa.



§. El Gran Colisionador de Hadrones

No habríamos encontrado el Higgs sin el Gran Colisionador de

Hadrones (otro de esos nombres tan poco afortunados para algo que

encarna la pasión humana por los descubrimientos). El LHC es la

máquina más grande y compleja jamás construida por los seres

humanos, al exorbitante precio de nueve mil millones de dólares.

Los científicos que trabajan en el CERN esperan que sea productivo

durante al menos cincuenta años. Pero no son tan pacientes:

preferirían realizar descubrimientos capaces de cambiar el mundo

cuanto antes, y se lo agradecemos.

Se mida como se mida, el LHC es colosal. Se concibió en los años

ochenta y el permiso para su construcción se obtuvo en 1994.

Mucho antes de que se pusiese en marcha, el LHC ya había saltado

a los titulares, pues hubo varios intentos de detener su

construcción en los tribunales, alegando que podría crear agujeros

negros capaces de tragarse el mundo entero. Ninguno de ellos tuvo

éxito, y el colisionador gigante entró plenamente en funcionamiento

en 2009.

El 13 de diciembre de 2011, físicos de todo el mundo —y unos

cuantos mirones interesados— se congregaron en salas de

conferencias y frente a sus ordenadores para escuchar dos

presentaciones de los investigadores del LHC. El asunto que se

trataría era la búsqueda del bosón de Higgs, un tema muy frecuente

en los seminarios de física, en los que el mensaje casi siempre es:

«La búsqueda va bien. ¡Deseadnos suerte!». Esta vez era diferente.



Desde varios días antes, en internet circulaban rumores de que no

nos darían el mensaje habitual, sino que esta vez nos dirían: «Pues

sí, es posible que estemos viendo algo. Puede que por fin hayamos

obtenido evidencia de que el bosón de Higgs está realmente ahí».

La respuesta es que sí, que había indicios de que el LHC estaba

realmente viendo el Higgs. Pero solo eran indicios, nada definitivo.

El LHC hace chocar entre sí protones a energías increíbles, y dos

enormes detectores experimentales observan las partículas que

surgen de esas colisiones. El número de veces que dos fotones

(partículas de luz) de alta energía que se producían a una

determinada energía era ligeramente mayor de lo que cabría esperar

si no existiese el bosón de Higgs. Lo cual era una prueba de que

probablemente algo pasaba, sin duda, aunque aún no podía

considerarse un descubrimiento. Pero todo pintaba bien. Rolf Heuer

concluyó la rueda de prensa con un guiño: «Nos vemos el año que

viene con un descubrimiento».

Y eso hicieron. El 4 de julio de 2012, dos nuevos seminarios nos

pusieron al día sobre la búsqueda del Higgs. Esta vez no se trataba

de indicios sugerentes; habían encontrado la partícula, no cabía

duda. Miles de físicos de todo el mundo aplaudieron con una mezcla

de satisfacción y de alivio: el LHC era un éxito.

§. Encrucijada

La física de partículas se encuentra en un momento crucial. Forma

parte fundamental de la prolongada búsqueda de la humanidad

para entender cómo funciona el universo, pero también es muy



cara. Y su futuro es incierto.

La búsqueda del bosón de Higgs no es solo una historia de

partículas subatómicas e ideas esotéricas, sino también de dinero,

política y envidias. Un proyecto en el que participan tantas

personas, una cooperación internacional sin precedentes, y un buen

número de importantes avances tecnológicos no se llevan a buen

puerto sin ciertas dosis de confabulaciones y trapícheos, y algún

que otro engaño.

El LHC no es el primer acelerador de partículas gigante que ha

tratado de encontrar el Higgs. Antes estuvo el Tevatrón, en el Fermi

National Accelerator Laboratory (Fermilab), a las afueras de

Chicago, que entró en funcionamiento en 1983 y se apagó

definitivamente en septiembre de 2011, después de una productiva

vida que incluyó el descubrimiento del quark top, pero no el Higgs.

Después vino el Gran Colisionador de Electrones y Protones (LEP,

Large Electron-Positron Collider), activo entre 1989 y 2000 en el

mismo túnel subterráneo que alberga ahora al LHC. En lugar de

hacer chocar protones, relativamente masivos y que tienden a

producir caóticas salpicaduras de partículas al encontrarse, en el

LEP las colisiones eran entre electrones y positrones, su partícula

gemela de antimateria. Esa configuración hizo posible realizar

mediciones muy precisas, pero en ninguna de ellas se reveló el

Higgs.

Y, finalmente, el Supercolisionador Superconductor (SSC,

Superconducting Super Collider), al que Hewett se refería con

melancolía. El SSC era la versión estadounidense del LHC, solo que



más grande y mejor, y se esperaba que estuviese listo antes. Se

propuso en la década de 1980 y estaba previsto que funcionase a

energías casi tres veces mayores que las que algún día alcanzará el

LHC (cinco veces mayores que las que consigue actualmente). Pero

el LHC puede alardear de una enorme ventaja respecto al SSC: se

construyó.

Tras apenas dos años en funcionamiento, el LHC nos ha obsequiado

con un verdadero descubrimiento: una partícula que se parece

mucho al bosón de Higgs. Supone el final de una era, pero también

el comienzo de otra. El Higgs no es simplemente una partícula más.

Es una partícula especial, que podría interactuar de manera muy

natural con otras clases de partículas que aún no hemos detectado.

Sabemos que el Modelo Estándar no es la respuesta definitiva: la

materia oscura que han cartografiado los astrónomos es una prueba

evidente de ello. El Higgs podría ser el portal que conecte nuestro

mundo con otro que se encuentra apenas fuera de nuestro alcance.

Una vez encontrada la nueva partícula, tenemos por delante

décadas de trabajo para llegar a conocer sus propiedades y para

saber hasta dónde nos puede llevar.

El futuro a largo plazo de la física de partículas está aún por definir.

Hace un siglo, o incluso cincuenta años, era posible realizar un

descubrimiento fundamental utilizando un equipo que podía montar

un solo científico con la ayuda de su equipo de estudiantes. Puede

que esa época haya terminado. Si el LHC solo nos proporciona el

Higgs, será cada vez más complicado convencer a los gobiernos

reticentes para que dediquen aún más dinero a la construcción del



siguiente colisionador.

Una máquina como el LHC representa una inversión de miles de

millones de dólares, pero también de miles de personas-años de

esfuerzo por parte de científicos entregados que dedican sus vidas a

profundizar un poquito más en los misterios de la naturaleza.

Personas como Lyn Evans, que ayudó a construir el LHC, o JoAnne

Hewett, que estudió innumerables modelos teóricos, o Fabiola

Gianotti y Joe Incandela, que lideraron sus respectivos

experimentos hasta alcanzar un logro histórico, han hecho una

apuesta enorme. Han apostado por que esta máquina nos conducirá

a una nueva era de descubrimientos, y lo que han puesto en juego

son muchos años de sus vidas profesionales. El descubrimiento del

Higgs supone una reivindicación de todo el trabajo realizado. Pero,

como dice Hewett, lo que queremos de verdad es que algo nos

sorprenda, descubrir algo que nadie hubiese previsto. Eso es lo que

realmente nos pondría las pilas.

Históricamente, a la naturaleza se le ha dado muy bien eso de

sorprendernos.



Capítulo 2

A vueltas con lo divino

Donde aprendemos que el bosón de Higgs en realidad no

tiene nada que ver con Dios, pero no por ello deja de ser

muy importante.

León Lederman se arrepiente. Sabe lo que ha hecho, pero ya no

puede desdecirse. Se trata de uno de esos pequeños detalles que

acaba teniendo consecuencias enormes e imprevistas.

Nos referimos, por supuesto, a la «partícula divina». No a la

partícula en sí, que es el bosón de Higgs, sino al nombre «partícula

divina», del que Lederman es responsable.

Lederman es uno de los más grandes físicos experimentales del

mundo, y obtuvo el premio Nobel en Física en 1988 por descubrir

que existe más de un tipo de neutrino. Si no lo hubiese recibido por

eso, otros muchos de sus logros lo habrían merecido también,

incluido el descubrimiento de un nuevo tipo de quark. Solo se

conocen tres neutrinos y seis quarks, lo cual da una idea de que

descubrimientos como estos no se producen precisamente todos los

días. En su tiempo libre ha ocupado el puesto de director del

Fermilab y ha fundado la Academia de Matemáticas y Ciencia de

Illinois. Lederman es también un personaje carismático, famoso

entre sus colegas por su sentido del humor y su talento como

narrador. Una de sus anécdotas preferidas refiere la historia de

cómo, mientras estudiaba el doctorado, se las apañó para toparse

con Albert Einstein mientras paseaba por los jardines del Instituto



de Estudios Avanzados, en Princeton. El gran hombre escuchó

pacientemente cómo el ávido jovenzuelo le explicaba la investigación

en física de partículas que estaba desarrollando en Columbia, y a

continuación le dijo con una sonrisa: «Eso no es interesante».

Pero, para el gran público, Lederman es más conocido por algo

mucho menos afortunado: ofrecer al mundo la expresión «partícula

divina» para referirse al bosón de Higgs. De hecho, ese es el título

del entretenido libro sobre física de partículas y la búsqueda del

Higgs que escribió con Dick Teresi. Como los autores explican en el

primer capítulo del libro, eligieron esa expresión en parte porque «el

editor no nos dejó llamarlo “La partícula maldita”, aunque ese

habría sido un título más apropiado, teniendo en cuenta su

perversa naturaleza y todo el dinero que se está gastando en

buscarla».

Los físicos de todo el mundo, un grupo cuya tendencia a la división

es bien conocida, estarán felizmente de acuerdo en una cosa: Odian

la expresión «partícula divina». Peter Higgs, en quien se inspira la

denominación más tradicional, dice entre risas: «La verdad es que

ese libro me molestó bastante. Y creo que no fue solo a mí».

Entretanto, los periodistas de distintos lugares del mundo, a los que

también les cuesta bastante ponerse de acuerdo, coinciden en una

sola cosa: les encanta el nombre de «partícula divina». Si lee un

artículo en la prensa generalista sobre el bosón de Higgs, puede

apostar lo que quiera a que en algún momento su autor se referirá a

él como la partícula divina.

Los periodistas tienen poca parte de culpa. Hay que reconocer que,



como nombre, «partícula divina» tiene muchísimo más tirón que

«bosón de Higgs», que suena bastante indescifrable. Pero tampoco se

puede culpar a los físicos. El Higgs no tiene absolutamente nada

que ver con Dios. Simplemente es una partícula muy importante,

digna de la emoción que suscita, aunque dicha emoción no alcance

las cotas del éxtasis religioso. Aun así, es comprensible por qué los

físicos pueden sentir la tentación de otorgar un estatus de divinidad

a esta humilde partícula elemental, incluso aunque carezca

completamente de cualquier implicación teológica. (¿De verdad

alguien puede pensar que Dios tiene alguna partícula elemental

favorita?)

La relación que los físicos mantienen con Dios es complicada y viene

de largo. No solo con el hipotético ser omnipotente que creó el

universo, sino con la propia palabra «Dios». Cuando hablan del

universo, los físicos utilizan a menudo la idea de Dios para expresar

algo sobre el mundo físico. Es famoso el caso de Einstein. Entre las

citas más memorables de este eminente científico están: «Quiero

conocer los pensamientos de Dios; el resto son detalles» y, por

supuesto, «Estoy convencido de que Dios no juega a los dados con el

universo».

Muchos de nosotros hemos caído en la tentación de seguir los pasos

de Einstein. En 1992, un satélite de la NASA llamado COBE (Cosmic

Background Explorer: Explorador del Fondo Cósmico) tomó una

imágenes asombrosas de las diminutas perturbaciones que

constituyen los vestigios del big bang en la radiación cósmica de

fondo. La importancia del acontecimiento llevó a George Smoot, uno



de los investigadores que trabajaban en el COBE, a decir: «Si uno es

religioso, esto es como ver a Dios». Stephen Hawking, en el último

párrafo de su best seller Historia del tiempo, tampoco evita utilizar

un lenguaje teológico:

No obstante, si descubrimos una teoría completa, con el tiempo

habrá de ser, en sus líneas maestras, comprensible para todos y

no únicamente para unos pocos científicos. Entonces todos,

filósofos, científicos y la gente corriente, seremos capaces de

tomar parte en la discusión de por qué existe el universo y por

qué existimos nosotros. Si encontrásemos una respuesta a esto,

sería el triunfo definitivo de la razón humana, porque entonces

conoceríamos el pensamiento de Dios.

Históricamente, algunos de los físicos más influyentes han sido muy

religiosos. Isaac Newton, posiblemente el científico más grande de

todos los tiempos, era un cristiano devoto aunque heterodoxo, que

dedicaba tanto tiempo a estudiar e interpretar la Biblia como a la

física. En el siglo XX tenemos el ejemplo de Georges Lemaître, un

cosmólogo que desarrolló la teoría del «átomo primigenio» (que ahora

se conoce como «modelo del big bang»). Lemaître era sacerdote y

profesor en la Universidad Católica de Lovaina, en Bélgica. En el

modelo del big bang, el universo observable surgió en un momento

singular de densidad infinita hace aproximadamente 13.700

millones de años; según la narración cristiana, Dios creó el universo

en algún momento del tiempo. Existen evidentes semejanzas entre

ambas historias, pero Lemaître siempre se cuidó mucho de no



mezclar su religión con la ciencia. El papa Pío XII sugirió que el

átomo primigenio podría identificarse con el «hágase la luz» del

Génesis, pero el propio Lemaître lo convenció para que abandonase

esa línea de razonamiento.

Sin embargo, hoy en día, la mayoría de los físicos son mucho menos

proclives a creer en Dios que la ciudadanía en general. Cuando te

ganas la vida estudiando el funcionamiento del mundo natural, es

muy normal que te impresione lo bien que se las apaña el universo

para funcionar por sí solo, sin ninguna intervención sobrenatural.

Existen, qué duda cabe, llamativos ejemplos de científicos religiosos,

pero es igualmente indudable que, en su trabajo, los físicos se las

arreglan perfectamente sin necesidad de introducir, en las

ecuaciones, nada ajeno al mundo natural.

§. Hablando de Dios

Si los físicos no creen tanto en Dios, ¿por qué siguen hablando de

Él? Por dos razones, de hecho: una buena y otra no tanto.

La buena razón es simplemente que Dios es una metáfora muy

conveniente para hablar del universo. Cuando Einstein dice: «Quiero

conocer los pensamientos de Dios», no está pensando literalmente

en el ser sobrenatural que el Papa se imagina. Expresa un deseo de

conocer los mecanismos fundamentales de la realidad. El universo

posee una característica asombrosa: tiene sentido. Si estudiamos lo

que le sucede a la materia en diversas circunstancias, encontramos

asombrosas regularidades que aparentemente no se violan jamás.

Cuando concluimos que dichas regularidades son reales más allá de



cualquier duda razonable, las llamamos «leyes de la naturaleza».

Las leyes de la naturaleza son muy interesantes de por sí, pero

también lo es el mero hecho de que existan tales leyes. Las que

hemos descubierto hasta la fecha toman la forma de precisas y

elegantes proposiciones matemáticas. Al físico Eugene Wigner le

impresionaba tanto esta característica de la realidad que hablaba de

la «irrazonable efectividad de las matemáticas en la física». Nuestro

universo es algo más que una amalgama de materia que se

comporta de manera aleatoria; es la evolución muy ordenada y

predecible de determinados constituyentes de la materia, una

intrincada coreografía de partículas y fuerzas.

Cuando los físicos se refieren metafóricamente a Dios, no hacen otra

cosa que dejarse llevar por la natural tendencia humana a

personificar el mundo natural, a darle un rostro humano. Queremos

saber cuáles son esas leyes. Siendo aún más ambiciosos, nos

gustaría saber si esas leyes podrían haber sido diferentes: ¿son las

leyes de la naturaleza existentes solo unas de entre un conjunto de

muchas posibles, o hay algo que hace que nuestro mundo sea único

y especial? No sabemos si podremos o no dar respuesta a una

pregunta tan imponente, pero cosas así son las que despiertan la

imaginación de los científicos.

La otra razón por la que los científicos sucumben y acaban

hablando de Dios es algo menos noble: las relaciones públicas.

Llamar al bosón de Higgs «partícula divina» puede ser

tremendamente inexacto, pero desde el punto de vista del marketing

es una genialidad. Los físicos reaccionan ante la expresión



«partícula divina» con horror y desprecio, pero a la gente le llama la

atención, razón por la cual se seguirá empleando, aun cuando todos

los periodistas que cubren el mundo de la ciencia sepan

perfectamente lo que los científicos piensan de ella.

«Partícula divina» hace que la gente se detenga y preste atención.

Una vez acuñada la expresión, no hay manera de que quien intente

explicar este concepto esotérico a un público cuya atención se ve

sometida a constantes exigencias deje de utilizarla. Si dices que

estás buscando el bosón de Higgs, mucha gente cambiará de canal

(puede que las hermanas Kardashian hayan hecho alguna de las

suyas), pero si dices que estás buscando la partícula divina, la gente

al menos prestará atención mientras les explicas a qué te refieres.

Ya te enterarás mañana de lo que han hecho las Kardashian.

De vez en cuando, el uso de un lenguaje llamativo como este hace

que los científicos se metan en problemas. En 1993, cuando

Estados Unidos aún pensaba en construir el Supercolisionador

Superconductor, que habría sido más potente que el LHC, el premio

Nobel Steven Weinberg compareció ante el Congreso para explicar

las virtudes de esa nueva máquina. En un momento dado, las

preguntas tomaron un cariz imprevisto:

Congresista Harris Fawell (Republicano, por Illinois): A veces me

gustaría que pudiésemos resumirlo todo en una sola palabra,

aunque sé que eso es imposible. Quizá era eso a lo que usted,

doctor Weinberg, se refería, no estoy seguro, pero esto es lo que

anoté. Dijo usted que sospecha que el hecho de que existan

leyes que gobiernan la materia no es en absoluto casual, y yo



apunté lo siguiente: «¿Nos permitirá eso encontrar a Dios?».

Estoy convencido de que no era eso lo que usted quería decir,

pero sin duda nos permitiría comprender mucho mejor el

universo, ¿no es así?

Congresista Don Ritter (Republicano, por Pensilvania): ¿Me

permitiría su señoría tomar la palabra? Si así fuese, me gustaría

decir brevemente...

Fawell: No estoy seguro de querer hacerlo.

Ritter: Si la máquina es capaz de eso que dice, estoy dispuesto a

cambiar de opinión y apoyar su construcción.

Weinberg no cometió la torpeza de referirse al bosón de Higgs como

la partícula divina durante su testimonio ante el Congreso, pero el

atractivo de la metáfora es tal que, al hablar del funcionamiento de

la realidad, uno acaba planteándose una pregunta como esa.

Para despejar cualquier ambigüedad que aún pudiese quedar: nada

de lo que podamos encontrar en el LHC, o de lo que hubiéramos

podido descubrir en el Supercolisionador Superconductor, nos

permitirá encontrar a Dios. Pero sí estaremos más cerca de

comprender las leyes últimas de la naturaleza.

§. La pieza final

Lederman y Teresi no le pusieron al bosón de Higgs el sobrenombre

de partícula divina únicamente porque sabían que llamaría la

atención (aunque probablemente la idea se les pasó por la cabeza).

Al fin y al cabo, esa vistosa denominación suscitó reacciones



favorables y adversas a partes iguales. Así lo expresan en el prólogo

de la edición revisada de su libro: «El título acabó ofendiendo a dos

grupos:

1. aquellos que creen en Dios, y

2. los que no creen.

Quienes se encuentran entre ambos extremos nos acogieron

cordialmente».

Lo que pretendían era expresar la importancia del bosón de Higgs.

El título del libro que el lector tiene entre manos es algo más

modesto... pero solo ligeramente. Para ser sinceros, la reacción de

los físicos cuando les hablo de La partícula al final del universo no es

de aprobación unánime. Por lo que sabemos, el universo no tiene

ningún «final», ya sea en algún lugar del espacio o en algún

momento futuro en el tiempo. Y, si no existe un lugar donde pueda

decirse que el universo acaba, no hay ninguna razón para pensar

que uno podría encontrar una partícula allí. Y, si así fuese, no hay

motivo para pensar que sería el bosón de Higgs.

Pero, una vez más, estamos hablando en sentido metafórico. El

Higgs no se encuentra al «final del universo», ya sea espacial o

temporal, sino al final de una explicación. Es la pieza final del

rompecabezas que explica cómo funciona a un nivel profundo la

materia ordinaria que forma nuestro mundo cotidiano. Algo de gran

importancia.

Debería apresurarme a exponer las advertencias antes de que mis

colegas físicos se enfaden otra vez. El Higgs no es la pieza que falta



en el rompecabezas que explica absolutamente todas las cosas. Aun

después de encontrar el Higgs y medir sus propiedades, queda

mucha física por entender. Para empezar, está la gravedad: toda

una fuerza de la naturaleza que aún no somos capaces de

reconciliar con las exigencias de la mecánica cuántica, y no

esperamos que el Higgs nos ayude a hacerlo. También están la

materia oscura y la energía oscura, misteriosas sustancias que

permean todo el universo y que siguen resistiéndose a la detección

directa aquí en la Tierra. Existen otras hipotéticas partículas

exóticas, de esas que a los físicos teóricos les encanta inventarse

pero de las que a día de hoy no tenemos prueba alguna. Y están, ni

que decir tiene, todas las áreas de la ciencia que presentan sus

propias dificultades, para cuya resolución la física de partículas no

aporta nada fundamental, desde la física atómica y molecular a la

química, la biología y la geología, hasta llegar a la sociología, la

psicología o la economía. El deseo humano de entender el mundo no

quedará plenamente satisfecho solo porque hayamos descubierto el

bosón de Higgs.

Una vez expuestas todas estas cláusulas de exención de

responsabilidad, hagamos hincapié de nuevo en el papel singular

del Higgs: Es la parte final del Modelo Estándar de la física de

partículas. El Modelo Estándar explica todo lo que experimentamos

en nuestras vidas cotidianas (aparte de la gravedad, que es bastante

fácil de incorporar). Quarks, neutrinos y fotones: calor, luz y

radiactividad; mesas, ascensores y aviones; televisores, ordenadores

y teléfonos móviles; bacterias, elefantes y personas; asteroides,



planetas y estrellas. Todos ellos son simplemente aplicaciones del

Modelo Estándar en distintas circunstancias. Es la teoría completa

de la realidad más inmediata. Y todo encaja perfectamente,

superando una extraordinaria variedad de pruebas experimentales,

siempre que el bosón de Higgs exista. Sin el Higgs, o algo aún más

extraño que ocupe su lugar, el Modelo Estándar se vendría abajo.

§. Descubriendo dónde está el truco

Hay algo sospechoso en todas estas afirmaciones sobre lo

importante que es el Higgs. Al fin y al cabo, antes de que lo

hubiésemos encontrado efectivamente, ¿cómo sabíamos lo

importante que era? ¿Qué era lo que nos llevaba a seguir hablando

de las propiedades de una partícula hipotética que nadie había

observado?

Imagine que asiste al espectáculo de un muy buen mago, que

realiza un truco de cartas asombroso, en el que un naipe levita

misteriosamente en el aire. El truco le deja desconcertado, aunque

está absolutamente convencido de que el mago no ha utilizado

poderes místicos para hacer que la carta levite. Como usted es

inteligente y tenaz, le sigue dando vueltas hasta que encuentra una

manera en la que el mago lo podría haber hecho, atando un hilo

delgado a la carta. De hecho, se le ocurren otras posibilidades, que

incluyen chorros de aire y bombas de calor, pero la opción del hilo

es a la vez sencilla y plausible. Llega incluso a reproducir el truco en

casa, y se convence de que utilizando el hilo apropiado puede

hacerlo tan bien como el mago.



Pero vuelve a ver la actuación del mago, y de nuevo ve cómo levita la

carta. Su versión es muy parecida a la que ha hecho en casa

aunque, por mucho que lo intente, no consigue ver el hilo.

El bosón de Higgs del Modelo Estándar es como ese hilo. Durante

mucho tiempo fuimos incapaces de verlo directamente, aunque sí

veíamos sus efectos. O, mejor aún, observábamos propiedades del

mundo que se explican perfectamente si existe, pero carecen de

sentido si no es así. Sin el bosón de Higgs, partículas como el

electrón tendrían una masa nula y se moverían a la velocidad de la

luz. Pero el caso es que tienen masa y se mueven más despacio. Sin

el bosón de Higgs, muchas partículas elementales serían idénticas

entre sí, pero lo que sucede de hecho es que son manifiestamente

distintas, que poseen masas y tiempos de vida distintos. Con el

Higgs, entendemos perfectamente todas estas características de la

física de partículas.

En estas circunstancias, tanto en el caso de la carta que levita como

en el del bosón de Higgs, caben dos opciones: O bien nuestra teoría

es correcta o bien una teoría aún más interesante y elaborada es la

correcta. Los efectos son reales: la carta flota, las partículas tienen

masa. Tiene que haber una explicación. Si es la más sencilla, nos

congratularemos de nuestra agudeza; si es algo más complicado,

habremos aprendido algo muy interesante. Puede que la partícula

que el LHC ha encontrado haga una parte de lo que esperábamos

que hiciese el Higgs, pero no todo; o puede que la labor del Higgs la

lleven a cabo varias partículas, de las cuales solo hemos encontrado

una. En cualquier caso, siempre que acabemos entendiendo qué es



lo que sucede, salimos ganando.

§. Fermiones y bosones

Veamos si somos capaces de traducir toda esta exaltación

metafórica sobre lo importante que es el bosón de Higgs en una

explicación más concreta de lo que se supone que la partícula en

realidad hace.

Hay dos tipos de partículas: las que componen la materia, conocidas

como «fermiones», y las que transportan las fuerzas, llamadas

«bosones». La diferencia entre ambas es que los fermiones ocupan

espacio, mientras que los bosones se pueden acumular unos sobre

otros. No se pueden colocar un montón de fermiones idénticos en el

mismo lugar; las leyes de la mecánica cuántica no lo permitirían.

Esa es la razón por la que los objetos sólidos, como las mesas y los

planetas, están formados por conjuntos de fermiones: estos no se

pueden aplastar unos encima de otros.

En concreto, cuanto menor es la masa de la partícula, mayor es el

espacio que ocupa. Los átomos están formados a partir de solo tres

tipos de fermiones — quarks up, quarks down y electrones— que se

mantienen unidos por las fuerzas. El núcleo, compuesto por

protones y neutrones, que a su vez están formados por quarks up y

down, es relativamente pesado, y ocupa un volumen de espacio

relativamente pequeño. Los electrones, por su parte, son mucho

más ligeros (su masa es alrededor de 2.000 veces menor que la del

protón o el neutrón) y ocupan mucho más espacio. En realidad, son

los electrones de los átomos los que hacen que la materia sea sólida.



Los bosones no ocupan ningún espacio. Dos bosones, o dos billones

de bosones, pueden encontrarse exactamente en la misma posición,

unos encima de otros. Ese es el motivo por el que los bosones son

las partículas que transmiten las fuerzas: pueden combinarse para

dar lugar a un campo macroscópico, como el campo gravitatorio que

nos mantiene unidos a la Tierra, o el campo magnético que desvía la

aguja de una brújula.

Los físicos suelen utilizar las palabras «fuerza», «interacción» y

«acoplamiento» de manera prácticamente intercambiable, lo cual es

consecuencia de una de las verdades profundas descubiertas por la

física del siglo XX: las fuerzas se pueden entender como el resultado

del intercambio de partículas. (Como veremos, esto es equivalente a

decir: «como el resultado de las vibraciones de los campos».) Cuando

la Luna siente la atracción gravitatoria de la Tierra, podemos

imaginar que hay gravitones que pasan de uno a otro cuerpo.

Cuando un electrón es atrapado por un núcleo atómico, es porque

ambos han intercambiado fotones. Pero estas fuerzas son también

responsables de otros procesos en los que intervienen las partículas,

como su aniquilación o su desintegración, no solo la atracción y la

repulsión. Cuando se desintegra un núcleo radiactivo, podemos

achacar ese evento a la acción de las fuerzas nucleares, fuerte o

débil, dependiendo de cuál sea el tipo de desintegración que se

produzca. En física de partículas, las fuerzas son responsables de

una amplia variedad de situaciones.

Aparte del Higgs, conocemos cuatro tipos de fuerzas, cada una de

las cuales lleva asociadas sus propias partículas bosónicas.



Tenemos la gravedad, asociada con una partícula denominada

«gravitón». Es verdad que aún no hemos observado ningún gravitón

por separado, por lo que no se le suele incluir al hablar del Modelo

Estándar, aunque sí detectamos la fuerza de la gravedad cada día

que no salimos flotando hacia el espacio. Pero, puesto que la

gravedad es una fuerza, las reglas fundamentales de la mecánica

cuántica y de la relatividad prácticamente garantizan que existen

partículas asociadas a ella, por lo que utilizamos el término

«gravitón» para referirnos a esas partículas que aún no hemos visto

individualmente. La forma en que la gravedad actúa como una

fuerza sobre otras partículas es bastante sencilla: cada partícula

atrae a todas las demás (aunque muy débilmente).

También está el electromagnetismo (en el siglo XIX, los físicos se

dieron cuenta de que los fenómenos de la «electricidad» y el

«magnetismo» eran dos versiones distintas de la misma fuerza

básica). Las partículas asociadas con el electromagnetismo se

denominan «fotones», y las vemos directamente todos los días. Las

partículas que interaccionan con el electromagnetismo están

«cargadas», mientras que las que no lo hacen son «neutras». Las

cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas: las del mismo

signo se repelen, mientras que las de signos opuestos se atraen.

Esta capacidad que poseen las cargas de repelerse mutuamente es

absolutamente fundamental para el funcionamiento del universo. Si

el electromagnetismo fuese únicamente atractivo, todas las

partículas se atraerían entre sí y lo único que haría la materia del

universo sería fundirse en un agujero negro gigante. Por suerte,



tenemos tanto repulsión como atracción electromagnéticas, lo que

hace que la vida sea interesante.

§. Fuerzas nucleares

Tenemos también las dos fuerzas «nucleares», así llamadas porque

(a diferencia de la gravedad y el electromagnetismo) su alcance se

limita a distancias muy reducidas, comparables al tamaño del

núcleo atómico o menores. Está la fuerza nuclear fuerte, que

mantiene unidos los quarks en el interior de los protones y los

neutrones, y cuyas partículas reciben el entrañable nombre de

«gluones». La fuerza nuclear fuerte es (como era de suponer) muy

intensa, e interacciona con los quarks pero no con los electrones.

Los gluones no tienen masa, como los fotones y los gravitones.

Cuando las partículas que transmiten una fuerza carecen de masa,

cabe esperar que su influencia sea de largo alcance, pero de hecho

el de la fuerza nuclear fuerte es muy reducido.

En 1973, David Gross, David Politzer y Frank Wilczek demostraron

que esta fuerza posee una sorprendente propiedad: la intensidad de

la atracción entre dos quarks aumenta cuando crece la distancia

entre ellos. Por tanto, para separar dos quarks hace falta cada vez

más energía, tanta que llega un momento en que se crean más

quarks. Es como estirar una goma, cada uno de cuyos extremos

representa un quark. Podemos tirar de ambos extremos, pero nunca

conseguiremos quedarnos solo con uno de ellos, sino que, si la tira

se rompe, se crearán dos nuevos extremos. Análogamente, nunca

podremos ver un solo quark libre; siempre están confinados (junto



con los gluones) dentro de partículas más pesadas. Estas partículas

compuestas, formadas por quarks y gluones, se denominan

«hadrones» (de ahí procede la hache en las siglas LHC). Gross,

Politzer y Wilczek compartieron el premio Nobel de 2004 por este

descubrimiento.

La fuerza nuclear débil hace honor a su nombre. Aunque no tiene

un papel muy relevante en nuestro entorno inmediato en la Tierra,

sí es importante para la existencia de la vida: contribuye a que el

Sol brille. La energía solar proviene de la conversión de protones en

helio, lo que requiere que parte de esos protones se conviertan en

neutrones, cosa que sucede mediante la interacción débil. Pero aquí

en la Tierra, salvo que te dediques a la física de partículas o a la

física nuclear, es poco probable que veas la fuerza débil en acción.

Los bosones que transportan la fuerza débil son de tres tipos. Está

el bosón Z, que es eléctricamente neutro, y dos bosones W distintos,

uno con carga eléctrica positiva y otro con carga negativa,

denominados W+ y W-, para abreviar. Los bosones W y Z son

bastante pesados para lo que es habitual entre las partículas

elementales (pesan aproximadamente como un átomo de zirconio, si

es que eso le ayuda al lector a hacerse una idea), lo que significa

que es difícil producirlos y que se desintegran bastante rápido y

ayuda a explicar por qué las interacciones débiles son tan tenues.

En el lenguaje cotidiano, utilizamos la palabra «fuerza» para

referirnos a cosas de lo más variado: la fuerza de rozamiento cuando

algo se desliza, la fuerza de impacto cuando chocamos contra un

muro, la fuerza de la resistencia del aire cuando una pluma cae



hacia el suelo. Se habrá dado cuenta de que ninguna de esas

aparece en nuestra lista de cuatro fuerzas de la naturaleza, y de que

tampoco tienen bosones asociados a ellas. Esa es la diferencia entre

la física de las partículas elementales y el uso coloquial. Todas las

«fuerzas» macroscópicas que experimentamos en nuestra vida

cotidiana, desde la aceleración cuando pisamos el pedal del coche al

tirón en la correa cuando el perro de pronto ve una ardilla y sale

disparado a por ella, surgen en última instancia como complicados

efectos colaterales de las fuerzas fundamentales. De hecho, con la

notable excepción de la gravedad (que es bastante sencilla, ya que

empuja todas las cosas hacia abajo), todos estos fenómenos

cotidianos no son más que manifestaciones del electromagnetismo y

de sus interacciones con los átomos. Este es el logro de la ciencia

moderna: reducir la maravillosa variedad del mundo que nos rodea

a unos pocos ingredientes básicos.

§. Los campos se extienden por todo el universo

De esas cuatro fuerzas, una ha destacado desde siempre como algo

raro: la fuerza débil. La gravedad tiene sus gravitones, el

electromagnetismo sus fotones y la fuerza fuerte sus gluones; un

tipo de bosones por cada fuerza. La fuerza débil viene con tres

bosones diferentes: el Z, neutro, y los dos W, con carga. Y además,

esos bosones son responsables de comportamientos extraños.

Emitiendo un bosón W, un fermión de un tipo puede transformarse

en uno de otra clase: un quark down puede escupir un W- y

transformarse en un quark up. Los neutrones, que están



compuestos de dos downs y un up, se desintegran cuando están

solos fuera del núcleo (uno de sus quarks down emite un W- y el

neutrón se convierte en un protón, que consta de dos ups y un

down). Ninguna de las otras fuerzas altera la identidad de las

partículas con las que interactúa.

Las interacciones débiles, en resumen, son un lío. Y el motivo es

sencillo: el Higgs.

El Higgs es fundamentalmente diferente de todos los demás

bosones. Los otros, como veremos en el capítulo 8, surgen porque

existe en la naturaleza algún tipo de simetría que conecta lo que

sucede en distintos puntos del espacio. Una vez que creemos en

esas simetrías, los bosones son prácticamente inevitables. Pero el

Higgs no es así en absoluto. No hay ningún principio profundo que

exija su existencia, pero existe de todos modos.

Después de que el LHC anunciase el descubrimiento del Higgs el 4

de julio, hubo centenares de propuestas para explicar cuál era su

significado. El motivo principal por el que esta tarea supone un reto

tan grande es que, en realidad, lo más interesante no es el propio

bosón de Higgs, sino el campo de Higgs del que surge. Es un hecho

de la física que todas las distintas partículas en realidad surgen de

sendos campos. Es la teoría cuántica de campos, el marco básico de

todo lo que hacen los físicos de partículas. Sin embargo, la teoría

cuántica de campos no es algo que se enseñe a los chavales en el

instituto. Ni siquiera se suele explicar en los libros de divulgación de

física, donde sí se habla de partículas, de mecánica cuántica y de

relatividad, aunque rara vez nos adentramos en las maravillas de la



teoría cuántica de campos que subyace en todo lo demás. Pero,

cuando se trata del bosón del Higgs, ya no podemos ocultar por más

tiempo que en última instancia todo son campos.

Cuando hablamos de un «campo» estamos hablando de «algo que

toma un valor en cada punto del espacio». La temperatura de la

atmósfera terrestre es un campo; en cada punto de la superficie

terrestre (o a cualquier altura por encima de ella) el aire tiene una

determinada temperatura. La densidad y la humedad de la

atmósfera también son campos. Aunque no son campos

fundamentales, sino simplemente características del propio aire. En

cambio, el campo electromagnético, o el gravitatorio, se consideran

fundamentales. No están compuestos de ninguna otra cosa, sino

que son aquello de lo que el mundo está hecho. Según la teoría

cuántica de campos, absolutamente todas las cosas están formadas

por un campo o por una combinación de campos. Lo que llamamos

«partículas» son minúsculas vibraciones de esos campos.

Aquí es donde entra en juego la parte «cuántica» de la teoría

cuántica de campos. Podríamos hablar largo y tendido sobre la

mecánica cuántica, quizá la idea más misteriosa que el ser humano

se haya planteado jamás, pero lo único que necesitamos saber

ahora es un hecho sencillo (aunque difícil de aceptar): el mundo tal

y como se nos muestra cuando lo observamos es muy distinto de

como es en realidad.

El físico John Wheeler propuso una vez un desafío: ¿cuál es la mejor

explicación de la mecánica cuántica en un máximo de cinco

palabras? En el mundo actual, es fácil recoger sugerencias para



cualquier pregunta que permita una respuesta corta: basta con

plantearla en Twitter, el servicio de microblogging que limita las

entradas a 140 caracteres. Cuando hice lo propio con la cuestión

sobre la mecánica cuántica, la mejor respuesta fue la de Aatish

Bhatia (@aatishb): «No miramos ondas. Miramos: partículas». Eso es

la mecánica cuántica en una sola línea.

Cada una de las partículas que contempla el Modelo Estándar es, en

el fondo, una vibración de un campo determinado. Los fotones que

transmiten el electromagnetismo son vibraciones del campo

electromagnético que se extiende por el espacio. Los gravitones son

vibraciones del campo gravitatorio, los gluones son vibraciones del

campo gluónico, etcétera. Incluso los fermiones — las partículas de

materia— son vibraciones de un campo subyacente. Existe un

campo de electrones, un campo de quarks up, y en general un

campo para cada tipo de partícula. De la misma manera en que las

ondas de sonido se propagan a través del aire, las vibraciones se

propagan por los campos cuánticos, y las observamos como

partículas.

Hace un momento he dicho que las partículas con una masa

pequeña ocupan más espacio que las que tienen una masa mayor.

El motivo es que las partículas en realidad no son bolas de densidad

uniforme, sino ondas cuánticas. Cada una tiene una longitud de

onda, que nos da una idea aproximada de su tamaño, y que

determina también su energía: hace falta más energía para tener

una longitud de onda más corta, ya que la onda necesita entonces

variar más rápidamente de un punto a otro. Y la masa, como



Einstein nos explicó hace tiempo, no es más que una forma de

energía. Así que una menor masa implica menos energía, que a su

vez significa una mayor longitud de onda, lo que resulta en un

tamaño mayor; y, en sentido contrario, una masa mayor significa

más energía, que implica una menor longitud de onda, lo que da

lugar a un tamaño menor. Todo esto tiene sentido una vez que lo

analizamos por partes.

§. Lejos del cero

Los campos toman un valor en cada punto del espacio, y allí donde

el espacio está completamente vacío ese valor es normalmente cero.

Por «vacío» entendemos «tan vacío como puede estarlo», o, más

concretamente, «con la menor energía posible». Según esta

definición, campos como el gravitatorio o el electromagnético se

mantienen en el cero allí donde el espacio está verdaderamente

vacío. Cuando toman algún otro valor, transportan energía, y por lo

tanto el espacio no está vacío. Todos los campos experimentan

minúsculas vibraciones debidas a la indeterminación intrínseca a la

mecánica cuántica, pero dichas vibraciones se producen alrededor

de un valor medio, que suele ser cero.

El Higgs es diferente. Es un campo, igual que los demás, y puede

tomar un valor nulo o distinto de cero. Pero no quiere ser cero:

quiere tener un valor constante y no nulo en todo el universo. El

campo de Higgs tiene menos energía cuando es distinto de cero que

cuando lo es.

Por tanto, el espacio vacío está repleto de campo de Higgs: no de un



conjunto complicado de vibraciones que representarían una serie de

bosones de Higgs individuales, sino simplemente de un campo

constante, que permanece tranquilamente en segundo plano. Es ese

campo, siempre presente en cualquier punto del universo, el que

hace que las interacciones débiles sean como son y que los

fermiones elementales tengan la masa que tienen. El bosón de Higgs

—la partícula descubierta en el LHC— es una vibración de ese

campo alrededor de su valor medio.

Una diferencia importante entre el campo de Higgs y el resto de

campos es que su valor en reposo es distinto de cero. Todos los

campos experimentan minúsculas vibraciones como consecuencia de

la indeterminación intrínseca a la mecánica cuántica. Una vibración

más grande se nos muestra como una partícula; en este caso, el

bosón de Higgs.

Como la partícula de Higgs es un bosón, da lugar a una fuerza de la

naturaleza. Dos partículas con masa pueden cruzarse e

interaccionar mediante el intercambio de bosones de Higgs, igual

que dos partículas cargadas pueden interaccionar intercambiando



fotones. Pero la fuerza de Higgs no es la que hace que las partículas

tengan masa, y en general no es la causa última de todo el revuelo a

su alrededor. El que hace que las partículas tengan masa es el

campo de Higgs, que existe como medio a través del cual otras

partículas se desplazan, y que afecta a sus propiedades cuando lo

hacen.

Cuando nos movemos por el espacio, estamos rodeados por el

campo de Higgs y nos desplazamos dentro de él. Como el proverbial

pez en el agua, normalmente no lo notamos, pero es ese campo el

que hace que el Modelo Estándar sea tan extraño.

§. Resumen ejecutivo

La idea del bosón de Higgs lleva asociada mucha física profunda y

complicada, pero, de momento, nos limitaremos a hacer un repaso

general de cómo funciona el campo de Higgs y por qué es

importante. Sin más dilación:

• El mundo está compuesto por campos, sustancias que se

extienden por todo el espacio y que notamos a través de sus

vibraciones, que se nos muestran como partículas. El campo

eléctrico y el campo gravitatorio pueden resultarnos

familiares, pero, según la teoría cuántica de campos, incluso

las partículas como los electrones o los quarks son en

realidad vibraciones de ciertos tipos de campos.

• El bosón de Higgs es una vibración del campo de Higgs, de

la misma manera en que un fotón de luz es una vibración

del campo electromagnético.



• Las famosas cuatro fuerzas de la naturaleza surgen de

sendas simetrías, cambios que podemos introducir en una

situación sin alterar ningún detalle importante de lo que

sucede. (A primera vista es cierto que no tiene mucho

sentido que «un cambio que no implica ninguna diferencia»

conduzca directamente a «una fuerza de la naturaleza»...

pero esa es una de las desconcertantes ideas de la física del

siglo XX.)

• Las simetrías a veces están ocultas, y son por tanto

invisibles para nosotros. Los físicos suelen decir que las

simetrías ocultas están «rotas», pero siguen estando ahí, en

las leyes básicas de la física. Lo único que sucede es que se

esconden en el mundo directamente observable.

• La fuerza nuclear débil, en particular, se basa en una

determinada clase de simetría. Si dicha simetría no

estuviese rota, sería imposible que las partículas

elementales tuviesen masa. Todas se moverían de un lado a

otro a la velocidad de la luz.

• Pero la mayoría de las partículas elementales tienen masa, y

no se mueven a la velocidad de la luz. Por lo tanto, la

simetría de las interacciones débiles ha de estar rota.

• Cuando el espacio está completamente vacío, la mayoría de

los campos están desconectados. Si un campo no es nulo en

el espacio vacío, puede romper una simetría. En el caso de

las interacciones débiles, eso es lo que hace el campo de

Higgs. Sin él, el universo sería un lugar completamente



distinto.

¿Lo ha entendido todo? Reconozco que son muchas las cosas que

hay que asimilar. Todo tendrá más sentido cuando completemos

nuestro recorrido por los demás capítulos. Confíe en mí.

El resto del libro será un viaje de ida y vuelta a través de las ideas

que subyacen en el mecanismo de Higgs y la búsqueda experimental

para descubrir el bosón. Comenzaremos con un rápido repaso de

cómo encajan entre sí las partículas y las fuerzas del Modelo

Estándar, y a continuación exploraremos las asombrosas maneras

en que los físicos utilizan la tecnología y su intuición para descubrir

nuevas partículas. Después volveremos a la teoría para reflexionar

sobre los campos y las simetrías y sobre cómo el Higgs puede hacer

que ciertas simetrías permanezcan ocultas a nuestros ojos.

Finalmente, podremos explicar cómo se descubrió el Higgs, cómo se

difundió la noticia, quién se llevará el reconocimiento y qué significa

todo eso de cara al futuro.

Llegados a este punto, debería estar claro por qué León Lederman

pensó que «partícula divina» era un nombre apropiado para el bosón

de Higgs. Este bosón es la pieza oculta que explica el truco de magia

con que el universo nos obsequia al darles a las partículas masas

distintas, haciendo así que la física de partículas sea interesante.

Sin el Higgs, la intrincada diversidad del Modelo Estándar se

reduciría a una anodina colección de partículas casi idénticas, y

todos los fermiones tendrían una masa prácticamente nula. No

habría átomos, ni química, ni vida tal y como la conocemos. El



bosón de Higgs es en cierto sentido lo que le da vida al universo. Si

hay una partícula que merezca un nombre tan pomposo, no cabe

duda de que esa es el bosón de Higgs.



Capítulo 3

Átomos y partículas

Donde descomponemos la materia para revelar cuáles son sus

constituyentes últimos: los quarks y los leptones.

A principios del siglo XIX, el médico alemán Samuel Hahnemann

fundó la práctica de la homeopatía. Frustrado por la ineficacia de la

medicina de su época, Hahnemann desarrolló un nuevo enfoque

basado en el principio de «lo similar cura lo similar»: una

enfermedad puede tratarse precisamente con la misma sustancia

que la provoca, siempre que esta se manipule adecuadamente. La

manera de hacerlo se conoce como «potenciación», y consiste en

diluir la sustancia en agua repetidamente, agitándola enérgicamente

cada vez. Un método de dilución típico podría ser mezclar una parte

de sustancia con noventa y nueve de agua. El remedio homeopático

se prepara diluyendo, agitando, diluyendo de nuevo y volviendo a

agitar, y así incluso hasta doscientas veces.

Más recientemente, Crispian Jago, que trabaja como consultor de

software y promueve el escepticismo frente a las supercherías en su

tiempo libre, quiso demostrar que no cree que la homeopatía sea un

enfoque válido para la medicina. Para ello, decidió aplicar el método

de las diluciones en serie a una sustancia fácil de conseguir: su

propia orina. Que a continuación procedió a beberse. La

impaciencia le llevó a diluirla solo treinta veces. Y no la llamó

«orina», sino «pis», lo que le permitió afirmar que estaba

desarrollando una cura para estar pissed (que en inglés se puede



interpretar como «enfadado», en Estados Unidos, o «borracho», en

Reino Unido). Los resultados, como era de esperar, se hicieron

públicos en forma de un provocativo vídeo en YouTube.

Jago tenía buenos motivos para que no le inquietase la idea de

beber orina diluida treinta veces en una concentración de 1:99:

cuando se obtuvo el vaso final, ya no quedaba nada de la sustancia

original. Si las diluciones se habían realizado con el suficiente

cuidado, no es que quedase «una cantidad minúscula», sino que no

había nada de nada.

Esto se debe a que todas las cosas en nuestro mundo cotidiano —la

orina, los diamantes, las patatas fritas, lo que sea— están

compuestas por átomos, unidos normalmente en moléculas. Esas

moléculas son la menor unidad de sustancia que puede

considerarse como tal. Por separado, dos átomos de hidrógeno y uno

de oxígeno no son más que átomos; juntos, se convierten en agua.

Puesto que el mundo está compuesto de átomos y moléculas, no se

pueden diluir las cosas indefinidamente y pretender que conserven

su identidad. Una cucharadita de orina contiene aproximadamente

1024 moléculas. Si se diluye una vez, mezclando una parte de orina

con 99 partes de agua, quedarán 1022 moléculas. Si se vuelve a

diluir, habrá 1020 moléculas. Si se diluye doce veces, en promedio

quedará una sola molécula de la sustancia original. A partir de ahí,

todo es pura pantomima: lo único que hacemos es mezclar agua con

agua. Con unas cuarenta diluciones podríamos hacer desaparecer

cualquier molécula en el universo conocido.

Así pues, cuando el proceso finalizó y Jago dio el trago triunfal, el



agua que estaba bebiendo era tan pura como la que sale

normalmente del grifo. Por supuesto, quienes defienden la

homeopatía saben que esto es así. Creen que las moléculas de agua

tienen «memoria» de la hierba o compuesto químico que se utilizó en

la dilución original y que, de hecho, la solución final es más potente

que la sustancia inicial. Esto va en contra de todos nuestros

conocimientos de física y química, y los ensayos clínicos sitúan los

remedios homeopáticos al nivel del placebo a la hora de combatir las

enfermedades. Sin embargo, cada cual tiene derecho a tener su

propia opinión.

Pero, como se suele decir, a lo que no tiene derecho es a sus propios

hechos. Y el hecho de que la materia está compuesta por átomos y

moléculas es uno muy notorio. En realidad, los hechos

fundamentales son dos: por una parte, la materia se puede

descomponer en pequeños pedazos que representan la unidad más

pequeña posible de ese tipo de sustancia; por otra, solo se necesitan

unos pocos elementos fundamentales, combinados de varias

maneras, para dar cuenta de toda la diversidad que existe en el

mundo que podemos observar.

A primera vista, el zoo de partículas puede resultar complejo e

imponente, pero solo hay doce partículas de materia, que se dividen

nítidamente en dos grupos de seis: los quarks, que son sensibles a

la fuerza nuclear fuerte, y los leptones, que no lo son. Es una

historia asombrosa, que se ha ido desarrollando a lo largo de un

siglo, desde el descubrimiento del electrón en 1897 hasta la

detección del último fermión elemental (el neutrino tauónico) en



2000. Aquí la repasaremos brevemente, y dejaremos los detalles

cuantitativos para el apéndice 2. Cuando hayamos aclarado el

panorama, tendremos una colección de partículas razonablemente

manejable de las que se compone todo lo demás.

§. Representaciones de los átomos

Todos hemos visto dibujos con representaciones de los átomos. Se

suelen pintar como diminutos sistemas solares, con un núcleo

central rodeado de electrones en órbita. Es una imagen

emblemática, que sirve, por ejemplo, para el logo de la Comisión de

la Energía Atómica estadounidense. Pero es ligeramente engañosa.

Este dibujo del átomo representa el modelo de Bohr, llamado así en

honor del físico danés Niels Bohr, que aplicó los conocimientos de

los primeros tiempos de la mecánica cuántica al modelo atómico

desarrollado previamente por el físico británico de origen

neozelandés Ernest Rutherford. En el átomo de Rutherford, los

electrones orbitan el núcleo a una distancia cualquiera, igual que

los planetas en el sistema solar (con la diferencia de que lo que los

atrae hacia el centro es el electromagnetismo, no la gravedad). Bohr

modificó esta idea al forzar a los electrones a describir únicamente

ciertas órbitas, lo que supuso un gran paso adelante a la hora de

ajustarse a los datos de la radiación emitida por los átomos. Hoy en

día sabemos que los electrones en realidad no «orbitan» en absoluto,

porque en realidad no poseen una «posición» o una «velocidad»

definidas. La mecánica cuántica dice que los electrones existen en

nubes de probabilidad conocidas como «funciones de onda», que nos



indican dónde podríamos encontrar la partícula si la buscásemos.

Representación de un átomo; de helio, en este caso. Un núcleo

formado por dos protones y dos neutrones se encuentra en el centro,

mientras dos electrones «orbitan» a su alrededor.

Teniendo en cuenta lo anterior, parece que la representación

esquemática del átomo que tenemos mentalmente no está tan mal,

si lo que queremos es hacernos una idea intuitiva de lo que sucede

en su interior. El núcleo en el centro, y los electrones alrededor. Los

electrones son relativamente ligeros: más del 99,9 por ciento de la

masa del átomo se encuentra en su núcleo, que está compuesto por

una combinación de protones y neutrones. El neutrón es un poco

más pesado que el protón: el neutrón es unas 1.842 veces más

pesado que el electrón, mientras que el protón es 1.836 veces más

pesado. A los protones y electrones se les conoce como «nucleones»,

ya que son las partículas que componen los núcleos. Salvo por el

hecho de que el protón tiene carga eléctrica y porque el neutrón es



algo más pesado, ambos nucleones poseen propiedades

notablemente similares.

Como muchas otras cosas en la vida, la naturaleza del átomo está

basada en un equilibrio preciso. Los electrones son atraídos por el

núcleo debido a la fuerza electromagnética, que es

extraordinariamente más intensa que la gravitatoria. La atracción

electromagnética entre un electrón y un protón es unas 1039 veces

más fuerte que la gravitatoria. Pero, mientras que la gravedad es

sencilla —todas las cosas atraen a todas las demás—, el

electromagnetismo es más sutil. Los neutrones deben su nombre al

hecho de que son neutros, es decir, no poseen carga eléctrica. De

modo que la fuerza electromagnética entre un electrón y un neutrón

es nula.

Las partículas que poseen carga eléctrica del mismo tipo se repelen

entre sí, mientras que las que tienen cargas de tipo opuesto,

cumpliendo con el cliché romántico, se atraen. Los electrones se ven

atraídos por los protones en el interior del núcleo, porque los

primeros tienen carga negativa y los segundos carga positiva.

Entonces, el lector se preguntará: ¿por qué no se repelen entre sí los

protones, que están tan apretados dentro del núcleo? La respuesta

es que la repulsión electromagnética que, en efecto, tiende a

separarlos es contrarrestada con creces por la fuerza nuclear fuerte.

Los electrones no son sensibles a esta fuerza (de la misma manera

que los neutrones no lo son al electromagnetismo), pero los protones

y los neutrones sí, razón por la cual pueden unirse para formar los

núcleos atómicos. Aunque solo hasta cierto punto. Si el núcleo crece



demasiado, llega un momento en que la repulsión eléctrica es tal

que el núcleo se vuelve radiactivo; puede que sobreviva durante un

tiempo, pero llegará un momento que se desintegre en núcleos más

pequeños.

§. Antimateria

Todo lo que ve ahora mismo a su alrededor, todas las cosas que ha

visto con sus propios ojos a lo largo de su vida, todo lo que ha oído

con sus oídos y experimentado con cualquiera de sus sentidos es

algún tipo de combinación de electrones, protones y neutrones,

junto con las tres fuerzas: gravitatoria, electromagnética y la fuerza

nuclear fuerte que mantiene los protones y neutrones unidos. La

historia de los electrones, protones y neutrones ya se había resuelto

a principios de la década de 1930. Por aquel entonces, debía de ser

irresistible imaginar que esos tres fermiones constituían realmente

los ingredientes fundamentales del universo, las piezas de Lego

básicas a partir de las cuales se construyen todas las demás cosas.

Pero la naturaleza nos tenía reservada alguna sorpresa más.

La primera persona que comprendió el funcionamiento básico de los

fermiones fue el físico británico Paul Dirac, quien, a finales de la

década de 1920, escribió una ecuación que describía el electrón.

Una consecuencia inmediata de la ecuación de Dirac, aunque los

físicos tardaron mucho tiempo en aceptarla, era que cada fermión

tenía asociada una partícula de tipo opuesto, su «antipartícula». Las

partículas de antimateria tienen exactamente la misma masa que

sus homologas de materia, pero carga eléctrica opuesta. Cuando



una partícula y su antipartícula entran en contacto normalmente se

aniquilan mutuamente, dando lugar a la emisión de radiación

energética. Acumular una cantidad de antimateria es (en teoría) una

estupenda manera de almacenar energía, lo cual ha alimentado la

especulación sobre métodos avanzados de propulsión de cohetes en

las historias de ciencia ficción.

La teoría de Dirac se hizo realidad en 1932, cuando el físico

estadounidense Cari Anderson descubrió el positrón, la

antipartícula del electrón. Existe una simetría precisa entre materia

y antimateria: no hay duda de que una persona compuesta de

antimateria llamaría «materia» a las partículas de las que estuviese

hecha, y nos acusaría a nosotros de estar formados de antimateria.

Sin embargo, el universo que observamos está repleto de materia y

contiene muy poca antimateria. La razón por la que esto es así

continúa siendo un misterio para los físicos, aunque hay varias

hipótesis prometedoras.

Anderson estaba estudiando los rayos cósmicos, partículas de alta

energía provenientes del espacio que, al chocar con la atmósfera

terrestre, dan lugar a otras partículas, que son las que acaban

llegando a la superficie, donde nos encontramos. Es como si

utilizásemos el aire que hay sobre nosotros como un gigantesco

detector de partículas.

Para crear imágenes de los rastros de las partículas cargadas,

Anderson utilizó una asombrosa tecnología denominada «cámara de

niebla». El nombre es muy apropiado, porque el principio en el que

se basa es similar al de la niebla que a veces cubre el cielo. Se llena



una cámara de gas supersaturado con vapor de agua.

«Supersaturado» significa que el vapor de agua en realidad quiere

formar pequeñas gotas de agua líquida, pero no lo hará si no recibe

un estímulo externo. En una niebla normal, ese estímulo llega

normalmente en forma de alguna mota de impureza, como polvo o

sal; en una cámara de niebla, se produce cuando una partícula la

atraviesa. La partícula choca con los átomos en el interior de la

cámara, les arranca electrones y los convierte en iones, que

actuarán como núcleos alrededor de los cuales se formen las

diminutas gotas de agua. De manera que una partícula cargada

dejará un rastro de gotitas tras de sí, similar a la estela que crea un

avión, como prueba evanescente de su paso.

Anderson subió su cámara de niebla, envuelta en un potente imán,

al tejado de la Escuela de Aeronáutica del Instituto Tecnológico de

California (Caltech), para detectar rayos cósmicos. Para obtener en

su interior el vapor debidamente supersaturado era necesario un

descenso rápido de la presión, producido mediante un pistón que

provocaba un gran estruendo cada vez que se disparaba. La cámara

solo se ponía en funcionamiento por las noches, debido a la enorme

cantidad de electricidad que consumía. Cada noche, los golpes se

podían oír en toda Pasadena, una ruidosa prueba de que estaban

descubriendo los secretos del universo.

Las imágenes que obtuvo Anderson reflejaban un número similar de

partículas que describían trayectorias curvas en ambos sentidos,

horario y antihorario. La explicación más evidente era simplemente

que la radiación contenía el mismo número de protones y



electrones. De hecho, eso es lo que cabría esperar, ya que no se

pueden crear partículas de carga negativa sin crear

simultáneamente la misma cantidad de carga positiva que la

contrarreste. Pero Anderson contaba con un dato adicional que le

sería muy útil: el grosor del rastro de iones que quedaba en la

cámara. Se dio cuenta de que, de acuerdo con la curvatura de los

rastros, los protones que los produjesen deberían desplazarse a una

velocidad relativamente lenta (en este contexto, eso significa «inferior

al 95 por ciento de la velocidad de la luz»), en cuyo caso los rastros

de iones serían más gruesos que los que se observaban.

Imagen del descubrimiento del positrón en la cámara de niebla de

Cari Anderson. La trayectoria del positrón es la línea curva que parte

de la zona inferior de la imagen, llega a la placa en el centro, y se

curva de forma más pronunciada mientras continúa su recorrido

hacia la parte superior de la imagen.

Parecía que las misteriosas partículas que atravesaban la cámara



tenían carga positiva, como el protón, pero eran relativamente

ligeras, como el electrón.

Cabía otra posibilidad lógica: quizá eran los rastros de electrones

que se movían hacia atrás. Para comprobar esta hipótesis, Anderson

introdujo en la cámara una placa de plomo que la dividía por la

mitad. Una partícula que fuese de un lado del plomo al otro sufriría

una pequeña ralentización, lo que indicaría claramente cuál era la

dirección de su trayectoria. En una imagen famosa en la historia de

la física de partículas, se puede ver una partícula que atraviesa la

cámara girando en sentido antihorario, atraviesa el plomo, y

después reduce su velocidad: es el descubrimiento del positrón.

Varios de los gigantes de este campo, como Ernest Rutherford,

Wolfgang Pauli y Niels Bohr, se mostraron incrédulos en un primer

momento, pero un buen experimento siempre prevalecerá sobre la

intuición teórica, por muy brillante que esta sea. La idea de la

antimateria había llegado al mundo de la física de partículas para

quedarse.

§. Neutrinos

Así que, en lugar de tres fermiones (protón, neutrón y electrón),

tenemos tres más (antiprotón, antineutrón, positrón), hasta un total

de seis, que sigue siendo una cifra bastante razonable. Pero los

problemas no habían desaparecido. Por ejemplo, cuando los

neutrones se desintegran se convierten en protones emitiendo

electrones. Mediciones detalladas de este proceso parecían indicar

que la energía no se conservaba: la energía total del protón y el



electrón era siempre algo menor que la del neutrón del que

procedían.

Fue Wolfgang Pauli, en 1930, quien propuso la solución a este

rompecabezas, al darse cuenta de que la energía adicional podría

corresponder a una diminuta partícula neutra que sería difícil de

detectar. La llamó «neutrón», porque aún no se le había puesto ese

nombre a la partícula también neutra, pero más pesada, que se

encuentra en el núcleo. Cuando esto ocurrió, para evitar la

confusión, Enrico Fermi denominó a la partícula de Pauli «neutrino»,

que en italiano significa «neutro y pequeño».

De hecho, en la desintegración de un neutrón se emite lo que hoy

conocemos como un antineutrino, pero el principio era

absolutamente correcto. A Pauli no le hizo ninguna gracia por aquel

entonces proponer la existencia de una partícula que parecía

indetectable, pero a día de hoy los neutrinos son algo de lo más

habitual para los físicos de partículas (como también lo es proponer

hipotéticas partículas difíciles de observar).

Desintegración del neutrón en un protón, un electrón y un



antineutrino.

Aún quedaba por resolver la cuestión del proceso exacto por el que

los neutrones se desintegran. Cuando las partículas interaccionan

entre sí, es porque existe algún tipo de fuerza, pero la

desintegración del neutrón no era lo que cabía esperar de la

gravedad, el electromagnetismo o la fuerza nuclear. Así que los

físicos empezaron a atribuírsela a la «fuerza nuclear débil», porque

era evidente que tenía algo que ver con los nucleones, pero también

que no era la fuerza que los mantenía unidos, que pasó a

denominarse «fuerza nuclear fuerte».

La existencia del neutrino propició una curiosa simetría entre las

partículas elementales. Había dos partículas ligeras, el electrón y el

neutrino, que acabarían denominándose «leptones», palabra

derivada del griego que significa «pequeño». Y había dos partículas

pesadas, el protón y el neutrón, que (algún tiempo después)

acabarían recibiendo el nombre de «hadrones», palabra derivada del

griego que significa «grande». Los hadrones son sensibles a la fuerza

nuclear fuerte, mientras que los leptones no. Cada categoría incluía

una partícula cargada y otra neutra. No era tan descabellado pensar

que habíamos resuelto el enigma.

§. Generaciones

Entonces, en 1936 llegó un visitante desde el espacio: el muón. Cari

Anderson, descubridor del positrón, y Seth Neddermeyer habían

retomado el estudio de los rayos cósmicos y descubrieron una



partícula con la misma carga negativa que el electrón, pero más

pesada, aunque no tanto como lo sería el antiprotón. Recibió el

nombre de «mesón mu», pero más adelante los físicos se dieron

cuenta de que no se trataba de un mesón (es decir, un bosón

compuesto por un quark y un antiquark), por lo que el nombre se

quedó en «muón». Durante un tiempo, en los años treinta, la mitad

de todas las partículas elementales conocidas (electrón, positrón,

protón, neutrón, muón y antimuón) habían sido descubiertas en el

laboratorio de Cari Anderson en Caltech. Quién sabe, quizá dentro

diez o veinte años, la mitad de las partículas que entonces se

conozcan se habrán descubierto en el LHC.

El muón fue una absoluta sorpresa. Ya teníamos el electrón, ¿por

qué habría este de tener un primo más pesado? I. I. Rabi plasmó en

pocas palabras el desconcierto que sintieron entonces los físicos en

su famosa ocurrencia: «¿Y esto quién lo ha pedido?». Ese es

exactamente el tipo de respuesta que esperamos recibir de los

experimentos del LHC; descubrir algo completamente inesperado

que nos obligue a revisar nuestras teorías.

No era más que el principio. En 1962, los físicos experimentales

León Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger demostraron

que en realidad existen dos tipos de neutrinos. Están los neutrinos

electrónicos, que interactúan con los electrones y a menudo se

crean al mismo tiempo que estos, pero también existen los

neutrinos muónicos, que van de la mano de los muones. Cuando el

neutrón se desintegra, emite un electrón, un protón y un

antineutrino electrónico; cuando es el propio muón el que se



desintegra, emite un electrón y un antineutrino electrónico, pero

también un neutrino muónico.

Y el proceso se repitió de nuevo. En los años setenta se descubrió la

partícula tau, que también tenía la misma carga negativa que el

electrón, pero era aún más pesada que el muón. Estas tres

partículas resultaron ser primas casi idénticas, que solo se

diferenciaban por su masa. En concreto, todas ellas eran sensibles a

las fuerzas débil y electromagnética, pero no a la interacción fuerte.

Y el tau tiene su propio tipo de neutrino, cuya existencia se predijo

hace mucho tiempo pero que no se detectó directamente hasta el

año 2000.

Los leptones del Modelo Estándar, ordenados en tres generaciones.

Los círculos más grandes indican que las partículas tienen mayor

masa, aunque no están a escala.

Así es como hemos llegado a tener no menos de seis leptones,

agrupados en tres «familias» o «generaciones»: el electrón y su



neutrino, el muón y su neutrino, y el tau y su neutrino. Es

completamente natural preguntarse si existe una cuarta generación,

o incluso más, agazapadas en algún lugar. A día de hoy, lo único

que podemos decir con toda seguridad es que puede que las haya y

puede que no, aunque tenemos alguna evidencia de que no existen

más que tres generaciones. Los neutrinos que conocemos tienen

masas muy pequeñas, sin duda mucho menores que la del electrón.

Sabemos cómo buscar nuevas partículas ligeras: analizando

cuidadosamente la desintegración de otras más pesadas. Podemos

contar cuántas partículas de tipo neutrino debería haber para dar

cuenta de dichas desintegraciones, y la respuesta es tres. Es

imposible estar seguros de que no existen más, quizá con masas

anómalamente grandes, pero es posible que hayamos encontrado

todos los neutrinos que hay (y por tanto todas las generaciones de

leptones).

§. Quarks y hadrones

Entretanto, los hadrones no se han estado quietos que digamos. La

invención, a principios del siglo XX, de los aceleradores de

partículas hizo que aumentase de manera espectacular el número

de partículas supuestamente elementales descubiertas por los

físicos, entre las que se encontraban los piones, los kaones, los

mesones eta y rho o los hiperones, entre otras. Willis Lamb, en su

discurso de aceptación del premio Nobel en 1955, bromeó al

respecto: «Antes, a quien descubría una nueva partícula le daban el

Nobel; hoy en día le deberían poner una multa de diez mil dólares».



Todas estas nuevas partículas eran hadrones (que, a diferencia de

los leptones, interactuaban con neutrones y protones a través de la

fuerza nuclear fuerte). Los físicos empezaron a sospechar que las

recién llegadas no eran realmente «elementales», sino que reflejaban

algún tipo de estructura más profunda.

Fueron Murray Gell-Mann y George Zweig, en 1964, quienes

finalmente dieron con la clave, al proponer de manera independiente

que los hadrones estaban compuestos por partículas más pequeñas,

denominadas «quarks». Como los leptones, existen quarks de

distintos sabores: «up» («arriba»), «down» («abajo»), «charm»

(«encanto»), «strange» («extraño»), «top» («cima») y «bottom» («fondo»).

Los quarks up, charm y top poseen una carga eléctrica de +2/3,

mientras que la de los down, strange y bottom es de -1/3, por lo que

a veces se dividen en quarks «de tipo up» y «de tipo down»,

respectivamente.

A diferencia de los leptones, cada sabor de quark representa en

realidad un triplete de partículas, en lugar de solo una. Los tres

tipos que existen de cada uno de los quarks reciben nombres de

colores: rojo, verde y azul. Estos nombres son curiosos, pero no son

realistas: no podemos ver los quarks, pero si los viésemos no

tendrían esos colores.

Los quarks están «confinados», lo que significa que solo existen en

ciertas combinaciones en el interior de los hadrones, pero nunca

aislados por sí solos.

Cuando se combinan, siempre lo hacen en grupos «incoloros». El

protón y el neutrón tienen cada uno en su interior tres quarks: dos



up y un down, en el caso del protón; dos downs y un up, en el del

neutrón.

Los leptones del Modelo Estándar, ordenados en tres generaciones.

Los círculos más grandes indican que las partículas tienen mayor

masa, aunque no están a escala.

Uno de esos quarks será rojo, otro verde y otro azul, de manera que

juntos den blanco, que a los efectos de esta analogía se considera

incoloro. Más adelante veremos que también existen pares

«virtuales» de quark y antiquark que surgen y desaparecen en el

interior de los nucleones, pero lo hacen en combinaciones de color-

anticolor, por lo que no afectan a la blancura global.

Resulta imposible no darse cuenta de que existen ciertos patrones

comunes entre las figuras que representan las generaciones de

leptones y las de quarks. En ambas existen seis tipos de partículas,

clasificadas precisamente en tres pares, dentro de cada uno de los



cuales las partículas distan en una unidad de carga eléctrica.

¿Podría tener esta estructura una explicación más profunda? La

respuesta es afirmativa, al menos en parte. Las dos partículas de

cada par, como el electrón y su neutrino, serían idénticas de no ser

por la intromisión del campo de Higgs que se extiende por todo el

espacio vacío, reflejo del papel que tiene el campo de Higgs en la

ruptura de simetrías, que estudiaremos con mucho más detalle a lo

largo del libro.

§. La fuerza que no encaja

Los fermiones del Modelo Estándar son los que le proporcionan a la

materia que nos rodea su tamaño y su forma, pero son las fuerzas

—y las partículas bosónicas asociadas a ellas— las que hacen

posible que los fermiones interactúen entre sí. Los fermiones se

atraen o se repelen entre sí intercambiando bosones, o bien pierden

energía o se desintegran en otros fermiones emitiendo algún tipo de

bosón. Sin los bosones, los fermiones no harían más que moverse

indefinidamente en línea recta, sin verse afectados por ninguna otra

cosa en el universo. Si el universo es tan endemoniadamente

complejo e interesante es porque todas estas fuerzas son distintas y

hacen que las partículas se atraigan y se repelan de maneras

complementarias.

Los físicos suelen decir que las fuerzas de la naturaleza son cuatro.

No incluyen al Higgs, y no solo porque se tardase mucho tiempo en

descubrir. El Higgs es diferente del resto de los bosones. Los demás

son lo que se denomina «bosones de gauge» (que, como veremos en



el capítulo 8, tienen una estrecha relación con las simetrías

fundamentales de la naturaleza). El gravitón es un poco distinto de

los demás. Cada partícula elemental posee un determinado «espín»

intrínseco: el fotón, los gluones y los bosones W y Z tienen todos

espín igual a uno, mientras que el del gravitón es dos. (Para más

detalles, véase el apéndice 1.) Aunque aún no sabemos cómo

reconciliar la gravedad con las exigencias de la mecánica cuántica,

parece razonable seguir incluyéndolo entre los «bosones de gauge».

El Higgs, por su parte, es completamente diferente. Es lo que se

denomina un bosón «escalar», lo que significa que su espín es cero.

A diferencia del resto de los bosones, el Higgs no viene impuesto por

una simetría ni por ningún otro principio profundo de la naturaleza.

Un mundo sin el Higgs tendría un aspecto muy distinto, pero, como

teoría física, sería perfectamente consistente. A pesar de su

importancia, el Higgs constituye un cierto defecto en la hermosa

estructura matemática del Modelo Estándar. Sin embargo, es un

bosón, y por tanto susceptible de ser intercambiado entre otras

partículas, dando así lugar a una fuerza de la naturaleza.

El bosón de Higgs es una vibración del campo de Higgs, y el campo

de Higgs es lo que hace que todas las partículas elementales con

masa no nula posean dicha masa. Por tanto, el bosón de Higgs

interactúa con todas las partículas de nuestro zoo que tienen masa:

los quarks, los leptones con carga y los bosones W y Z. (Aún no

disponemos de una explicación completa de la masa de los

neutrinos, por lo que supondremos que no interactúan con el Higgs,

aunque esto aún está por confirmar.)



Los bosones del Modelo Estándar. (En este libro se incluyen los

gravitones, cosa que no todo el mundo hace.) Todos los bosones, salvo

los W, son eléctricamente neutros, y todos tienen masa nula, salvo los

W, el Z y el Higgs.

Cuanto mayor es la masa de una partícula, más intenso es su

acoplamiento con el Higgs. En realidad, es al revés: cuanto más

intensa es la interacción de una partícula con el Higgs, mayor es la

masa que acumula al atravesar el campo de Higgs que se extiende

por el espacio vacío.

Esta característica del Higgs —el hecho de que interactúa con más

intensidad con las partículas de mayor masa— es absolutamente

fundamental para su estudio en el LHC. El Higgs es en sí mismo

una partícula pesada, y no somos capaces de verlo directamente ni



siquiera cuando lo producimos, pues se desintegra muy

rápidamente en otras partículas. Esperamos que exista una cierta

tasa de desintegración en (por ejemplo) bosones W, otra diferente

para su desintegración en quarks bottom, otra para los mesones

tau, etcétera. Pero no son aleatorias: sabemos exactamente cómo

debe interaccionar el Higgs con otras partículas (porque sabemos

cuáles son sus masas), de manera que podemos calcular con gran

precisión la frecuencia esperada para los distintos tipos de

desintegración.

Lo que realmente deseamos es estar equivocados. Descubrir el Higgs

supone un gran logro, pero cuando las cosas se ponen interesantes

de verdad es cuando algo nuevo nos sorprende. Buscar partículas

invisibles que son difíciles de producir y que se desintegran

rápidamente en otras partículas es una tarea exigente, que implica

paciencia, precisión y un meticuloso análisis estadístico. La buena

noticia es que las leyes de la física (o cualquier otra hipotética

versión de las mismas) no tienen piedad: las predicciones sobre lo

que deberíamos ver son precisas e inalterables. Si el Higgs resulta

ser distinto de lo que esperamos, eso constituirá una clara señal del

fracaso del Modelo Estándar, y de que, por fin, se abre ante

nosotros la puerta hacia nuevos fenómenos.



Capítulo 4

La historia del acelerador

Donde repasamos la curiosa historia del insólito

pasatiempo de hacer que choquen entre sí partículas con

energías cada vez más altas.

Cuando tenía unos diez años, descubrí la sección de ciencia de la

biblioteca pública del condado Lower Bucks, en Pensilvania. Me

quedé fascinado al instante. Mis libros favoritos estaban en la

sección de astronomía y física (las categorías 520 y 530, según el

venerable sistema decimal de Dewey). Uno de los textos sobre los

que me abalanzaba con mayor avidez era un discreto volumen

titulado High Energy Physics, de Hal Hellman. Yo lo leía a finales de

la década de 1970, pero el libro había sido escrito en 1968, antes de

que el Modelo Estándar se hubiese formulado como tal, cuando los

quarks aún eran especulaciones teóricas de nombre imponente.

Pero para entonces sí se había descubierto una profusión de

hadrones, y el libro estaba repleto de evocadoras fotografías de

rastros de partículas, cada uno de los cuales constituía un vistazo

fugaz a los secretos de la naturaleza.

Muchas de esas fotografías se habían tomado en el poderoso

Bevatrón, uno de los aceleradores punteros durante los años

cincuenta y sesenta. Se encontraba en Berkeley, California, pero no

es de ahí de donde le viene el nombre, sino de los «miles de millones

de electronvoltios» de energía que el acelerador era capaz de

alcanzar. (Como explicaré más adelante, el electronvoltio es una



extraña unidad de energía muy del agrado de los físicos de

partículas.) Mil millones se denotan con el prefijo «giga-», de manera

que mil millones de electronvoltios son un GeV, pero en aquella

época los estadounidenses solían utilizar «BeV». Además, «Gevatrón»

no suena muy bien.

El Bevatrón contribuyó a dos premios Nobel: el de 1959, para Emilio

Segré y Owen Chamberlain, por el descubrimiento del antiprotón, y

el de 1968, para Luis Álvarez, por el descubrimiento de

innumerables partículas (todos esos insidiosos hadrones). Poco

tiempo después, Álvarez y su hijo Walter fueron los primeros en

demostrar que la causa más probable de la extinción de los

dinosaurios fue el impacto de un asteroide, al descubrir una

concentración anómalamente elevada de iridio en los estratos

geológicos que se formaron por aquel entonces.

La idea en la que se basan los aceleradores de partículas es sencilla:

Se toman unas cuantas partículas, se aceleran a velocidades muy

altas y se hace que choquen con otras partículas mientras se

observa minuciosamente el resultado. Hay quien compara este

procedimiento con hacer que choquen entre sí dos relojes suizos y

después intentar comprender de qué están compuestos observando

las piezas que salen despedidas. Por desgracia, esta analogía explica

el proceso al revés. Cuando hacemos que colisionen las partículas,

no queremos saber de qué están compuestas: estamos intentando

crear nuevas partículas que no existían antes de las colisiones. Es

como hacer que choquen dos relojes Timex esperando que las piezas

se recombinen en un Rolex.



Para alcanzar esas velocidades, los aceleradores parten de un

principio básico: las partículas cargadas (como los electrones y los

protones) pueden recibir impulso mediante campos eléctricos y

magnéticos. En la práctica, los campos eléctricos se utilizan para

acelerar las partículas a velocidades cada vez más elevadas, y los

campos magnéticos para hacer que se muevan en la dirección

correcta, como por ejemplo alrededor de los tubos circulares del

Bevatrón o del LHC. Ajustando cuidadosamente esos campos para

que proporcionen a las partículas el impulso y la dirección

adecuadas, los físicos pueden reproducir condiciones que, de otro

modo, nunca se habrían visto aquí en la Tierra. (Los rayos cósmicos

pueden alcanzar energías aún mayores, pero son poco frecuentes y

difíciles de observar.)

Influencia de un campo magnético sobre partículas en movimiento. Si

el campo magnético está dirigido hacia arriba, empuja a las

partículas de carga positiva en dirección contraria a las agujas del

reloj; a las de carga negativa, en la dirección de las agujas del reloj; y

no tiene efecto alguno sobre las partículas neutras. Por su parte, las

partículas estacionarias permanecen en reposo.



Está claro cuál es el reto tecnológico: acelerar las partículas a la

mayor energía posible, hacer que choquen entre sí y observar qué

nuevas partículas se crean. Ninguno de esos pasos es sencillo. El

LHC supone la culminación de décadas de trabajo invertidas en

aprender cómo construir mejores y mayores aceleradores.

§. E = mc2

Cuando se crearon antiprotones en el Bevatrón, no fue porque estos

estuviesen previamente ocultos dentro de los protones y de los

núcleos atómicos con los que trabajaban, sino que las nuevas

partículas surgieron de las propias colisiones. En términos de la

teoría cuántica de campos, las ondas que representan a las

partículas originales dieron lugar a nuevas vibraciones en el campo

de antiprotones, que se detectaron en forma de partículas.

Para que eso suceda, el requisito fundamental es disponer de

energía suficiente. La idea que hace posible la física de partículas es

la famosa ecuación de Einstein, E = mc2, que afirma que la masa es

en realidad una forma de energía. En particular, la masa de un

objeto es la energía mínima que puede poseer dicho objeto. Cuando

el objeto se encuentra en perfecto reposo, a su aire, la cantidad de

energía que posee es igual a su masa multiplicada por la velocidad

de la luz al cuadrado. La velocidad de la luz es un número grande,

300.000 kilómetros por segundo, pero su papel aquí se limita a

transformar las unidades de medida de masa en las de energía. A

los físicos de partículas les gusta utilizar un sistema de unidades en

el que la velocidad se mide en años luz por año, en cuyo caso c es



igual a la unidad, y masa y energía son realmente intercambiables:

E = mc2.

¿Y qué sucede cuando el objeto está en movimiento? A veces, al

explicar la relatividad se dice que la masa aumenta cuando la

partícula se aproxima a la velocidad de la luz, pero eso puede llevar

a confusión. Es preferible pensar que la masa de un objeto es fija,

mientras que su energía aumenta a medida que va ganando

velocidad. La masa es la energía que el objeto tendría si no se

moviese, que por definición no varía aunque esté en movimiento. De

hecho, la energía sin límite al acercarse a la velocidad de la luz. Esta

es una manera de entender por qué la velocidad de la luz constituye

un límite absoluto a lo rápido que pueden moverse los objetos: sería

necesaria una energía infinita para que un objeto con masa se

desplazase a esa velocidad. (Las partículas de masa nula, por su

parte, siempre se mueven exactamente a la velocidad de la luz.)

Cuando un acelerador de partículas lleva los protones a energías

cada vez más altas, por mucho que se aproximen a la velocidad de

la luz, nunca la alcanzan.

Gracias a la magia de esta sencilla ecuación, los físicos de

partículas son capaces de crear partículas pesadas a partir de otras

más ligeras. En una colisión, la energía total se conserva, pero no

sucede lo mismo con la masa total. La masa no es más que una

forma de energía, y la energía puede transformarse de una forma a

otra siempre que la cantidad total sea constante. Cuando dos

protones chocan a gran velocidad, pueden convertirse en partículas

más pesadas si su energía total es suficientemente grande. Podemos



incluso hacer que colisionen partículas cuya masa es

absolutamente nula y crear otras con masa: dos fotones pueden

chocar y dar lugar a un par electrón-positrón, o dos gluones,

también sin masa, pueden unirse para crear un bosón de Higgs,

siempre que su energía conjunta sea mayor que la masa del Higgs.

La masa del bosón de Higgs es más de cien veces mayor que la del

protón, y esta es una de las razones por las que es tan difícil crearlo.

A los físicos de partículas nos gusta utilizar unidades de medida que

no tienen ningún sentido en el mundo exterior, ya que eso le

confiere a nuestro trabajo un aura de exclusividad. Además, sería

muy engorroso utilizar un conjunto de unidades para la masa y otro

distinto para otras formas de energía, ya que estamos

continuamente pasando de unas a otras. Así que, cada vez que nos

encontramos con una cierta cantidad de masa, simplemente la

multiplicamos por la velocidad de la luz al cuadrado para convertirla

en energía. De esta manera, podemos medir todo en unidades de

energía, que es mucho más cómodo.

La unidad de energía favorita de los físicos de partículas es el

electronvoltio, o «eV», para abreviar. Un eV es la cantidad de energía

necesaria para mover un electrón a través de un voltio de potencial

eléctrico. Dicho de otro modo, hace falta una energía de nueve

electronvoltios para mover un electrón del polo positivo al negativo

de una batería de nueve voltios. No es que los físicos se pasen el

rato moviendo electrones a través de baterías, pero lo cierto es que

es una unidad cómoda que se ha convertido en la habitual en este

campo.



Un electronvoltio es una cantidad de energía muy pequeña. La

energía de un solo fotón de luz visible es de aproximadamente un

par de electronvoltios, mientras que la energía cinética de un

mosquito al volar es de un billón de eV. (El mosquito está

compuesto de muchísimos átomos, por lo que la energía por

partícula es muy pequeña.) La energía que se libera al quemar un

litro de gasolina supera los 1027 eV, mientras que la energía

nutricional de un Big Mac (700 calorías) equivale aproximadamente

a 1035 eV. Como puede apreciar el lector, un eV es una cantidad de

energía realmente pequeña.

Puesto que la masa es una forma de energía, las masas de las

partículas elementales también se miden en electronvoltios. La

masa del protón o del neutrón es de casi mil millones de

electronvoltios, mientras que la del electrón es de medio millón de

eV. La del bosón de Higgs que se descubrió en el LHC es de 125.000

millones de eV. Como un electronvoltio es tan pequeño, suele ser

más cómodo utilizar como unidad el GeV, o gigaelectronvoltio (mil

millones de electronvoltios). También es frecuente ver el keV

(kiloelectronvoltio; mil electronvoltios), MeV (megaelectronvoltio; un

millón de electronvoltios) y el TeV (teraelectronvoltio; un billón de

electronvoltios). En 2012, el LHC hizo chocar protones con una

energía total de 8 TeV, y su objetivo es alcanzar los 14 TeV, energía

más que suficiente para producir bosones de Higgs y otras

partículas exóticas. Lo difícil es detectarlas una vez que se han

creado.



Escala de energías. Los físicos de partículas emplean la misma

escala, cuya unidad básica es el electronvoltio, para medir la

temperatura, la masa y la energía. Entre sus múltiplos y submúltiplos

más comunes están el meV (una milésima de eV), el keV (mil eV), el

Mev (un millón de eV), el GeV (mil millones de eV) y el TeV (un billón

de eV). Algunos valores son aproximados.

Podemos incluso utilizar las mismas unidades para medir la

temperatura, ya que esta no es más que una medida de la energía

media de las partículas de una sustancia. Así, la temperatura

ambiente equivale a tan solo dos centésimas de electronvoltio,



mientras que la temperatura en el núcleo del Sol es de

aproximadamente 1 keV. Cuando la temperatura supera la masa de

cierta partícula, eso significa que las colisiones poseen energía

suficiente como para crear dicha partícula. Incluso el núcleo, que

está bastante caliente, no lo está, ni remotamente, como para

producir electrones (0,5 MeV), y mucho menos aún protones o

neutrones (alrededor de 1 GeV cada uno). Poco después del big

bang, en cambio, la temperatura era tan elevada que eso no suponía

ningún problema.

La manera más fácil que tiene la naturaleza de ocultarnos una

partícula es hacer que sea tan pesada que no sea fácil producirla en

el laboratorio. Este es el motivo por el que la historia de los

aceleradores de partículas ha sido la de una búsqueda de energías

cada vez más altas, y también es la razón por la que han recibido

nombres como Bevatrón o Tevatrón. Llegar a energías nunca antes

alcanzadas es literalmente como visitar un lugar que nadie ha visto

antes.

§. Dinamizando Europa

El nombre oficial del CERN, el laboratorio en Ginebra donde está

situado el LHC, es Organización Europea para la Investigación

Nuclear o, en francés, Organisation Européenne pour la Recherche

Nucléaire. Como habrá visto el lector, el acrónimo no se corresponde

con el nombre completo en ninguno de los dos idiomas. Esto se

debe a que la «Organización» actual procede directamente del

Consejo Europeo para la Investigación Nuclear, Conseil Européen



pour la Recherche Nucléaire, y se acordó mantener la abreviatura

antigua aunque se cambiase el nombre oficial. Nadie se empeñó en

cambiarla a «OERN».

El consejo se creó en 1954 por un grupo de doce países que

buscaba revitalizar la física en la Europa de la posguerra. Desde

entonces, el CERN ha estado en la punta de lanza de la

investigación en física de partículas y física nuclear, y se ha

constituido en un centro intelectual para la ciencia europea, así

como en un componente importante de la identidad ginebrina. En la

segunda ciudad más grande de Suiza, uno de los centros mundiales

de las finanzas, la diplomacia y la fabricación de relojes, uno de

cada dieciséis pasajeros que llegan al aeropuerto tiene alguna

relación con el CERN. Cuando uno vuela hacia allí, es probable que

en su mismo avión viajen uno o dos físicos de partículas.

Como sucede con la mayoría de los laboratorios de física de

partículas, la historia del CERN ha sido la de una sucesión de

máquinas cada vez más grandes que alcanzan energías cada vez

más altas. En 1957 se ubicaba allí el Sincrociclotrón, que aceleraba

protones a una energía de 0,6 GeV, y en 1959 se inauguró el

Sincrotrón de Protones, que alcanzaba energías de 28 GeV. A día de

hoy aún sigue en funcionamiento, proporcionando haces que se

aceleran aún más en otras máquinas, incluido el CERN.

En 1971 se produjo un gran avance con los Anillos de

Almacenamiento Intersecantes (ISR, Intersecting Storage Rings), que

llegaron a los 62 GeV de energía total. El ISR, además de acelerador,

era un colisionador de protones. Las máquinas anteriores



aceleraban los protones y los dirigían contra bloques de materia

estacionarios; el ISR hacía chocar entre sí haces que se movían en

una dirección con otros que lo hacían en la dirección opuesta. Esta

técnica constituye un reto tecnológico mucho mayor, pero también

permite acceder a energías mucho más elevadas: no es solo que

cada uno de los haces transporte energía, sino que toda esa energía

está ahora disponible para crear nuevas partículas. (En los

experimentos que emplean un objetivo fijo, mucha de la energía se

desperdicia en impulsar dicho objetivo.) Durante la década de 1950,

el físico estadounidense Gerard K. O‟Neill (que años más tarde se

haría famoso por proponer la creación en otros planetas de hábitats

para los humanos) estudió la posibilidad de construir un

colisionador de partículas, y el físico austríaco Bruno Touschek

construyó en Frascati (Italia) pequeños colisionadores electrón-

positrón.

El ISR tenía casi tres kilómetros de circunferencia. Era grande, pero

no tanto como su sucesor. El Supersincrotrón de Protones (SPS,

Super Proton Synchrotron), con más de seis kilómetros y medio de

circunferencia, se inauguró en 1976 y alcanzaba energías de 300

GeV. Pocos años más tarde, en una valiente decisión, el CERN

adaptó el SPS para que, de su tarea original de acelerar protones,

pasase a una nueva configuración en la que generaría colisiones

entre protones y antiprotones. Como cabría suponer, es difícil hacer

acopio de antiprotones y trabajar con ellos. No se encuentran

simplemente por ahí como los protones. En primer lugar, hay que

producirlos en colisiones de baja energía y, a continuación, es



necesario llevar a cabo el complicado proceso de agruparlos

evitando que choquen con algún protón del entorno y se aniquilen

mutuamente en un destello de luz. Pero, una vez que se consigue

hacer esto, es posible sacar provecho del hecho de que protones y

antiprotones poseen cargas opuestas para hacer que describan

trayectorias curvas en sentidos opuestos dentro de un mismo

campo magnético. (En el LHC, las colisiones son de protones con

protones, por tanto se deben utilizar dos haces separados, uno por

cada dirección). El físico italiano Cario Rubbia se sirvió del renovado

SPS en 1983 para descubrir los bosones W y Z de la fuerza nuclear

débil, por lo que recibió el premio Nobel en 1984.

El SPS aún existe, y sigue funcionando a pleno rendimiento. Gracias

a las mejoras, ahora acelera protones a energías de 450 GeV y se los

entrega al LHC, que hace que alcancen energías aún mayores. Los

físicos de partículas son convencidos partidarios del reciclaje.

La siguiente gran máquina del CERN, el Gran Colisionador de

Electrones y Positrones (LEP, Large Electron-Positron Collider), se

inauguró en 1989. El LEP requirió la construcción de otro túnel

más, en este caso de veintisiete kilómetros de circunferencia y a cien

metros de profundidad, situado a ambos lados de la frontera franco-

suiza. Si esos números le suenan al lector, no es de extrañar: el

túnel que se construyó originalmente para el LEP es el mismo en el

que se encuentra ahora el LHC. Tras un fructífero período de

funcionamiento, el LEP se clausuró en 2000, y se retiró su

maquinaria para ceder su lugar al LHC.



§. El Gran Colisionador de Electrones y Positrones

Los protones son hadrones, partículas sensibles a la fuerza nuclear

fuerte. Cuando chocan entre sí (o cuando la colisión tiene lugar

entre un protón y un antiprotón), los resultados son un poco

impredecibles. Lo que sucede realmente es que uno de los quarks o

de los gluones que existen en el interior del hadrón choca contra un

quark o un gluón del otro hadrón, pero no conocemos con precisión

la energía inicial de ninguna de las dos partículas. Una máquina

que produce colisiones entre electrones y positrones es un animal

completamente diferente: su razón de ser es la precisión, no la

fuerza bruta. Cuando chocan un electrón y un positrón, como en el

LEP, sabemos exactamente lo que sucede, por lo que es más

apropiado para medir con precisión las propiedades de las

partículas ya conocidas que para descubrir otras nuevas. Si

jugásemos a «¿Dónde está Wally?», un colisionador de hadrones

sería como rastrear con la mirada todo el panorama en busca de la

vistosa gorra de rayas, mientras que un colisionador electrón-

positrón equivaldría a poner una fina cuadrícula sobre el dibujo y

examinar las caras minuciosamente una por una.

El LEP era tan preciso que incluso fue capaz de descubrir la Luna.

O, al menos, las mareas que esta provoca. A diario, el campo

gravitatorio de la Luna tira de la Tierra en su movimiento de

rotación alrededor de nuestro planeta. En el CERN, esta minúscula

tensión hacía que la longitud total del túnel del LEP se estirase y se

contrajese en aproximadamente un milímetro cada día. Poca cosa

para una tubería de veintisiete kilómetros, pero suficiente como



para provocar una diminuta fluctuación en la energía de los

electrones y los positrones, fácilmente detectable por instrumentos

de alta precisión. Tras el desconcierto inicial que generaron las

variaciones diarias de la energía, los físicos del CERN enseguida se

dieron cuenta de lo que pasaba. (En esencia, esta manera de

detectar la Luna no se diferencia demasiado del método que utilizan

los astrofísicos para detectar materia oscura en el universo, a través

de su efecto gravitatorio). El LEP también era capaz de detectar el

paso de los trenes de alta velocidad a su llegada a Ginebra, cuyas

fugas de corriente eléctrica conseguían perturbar las máquinas

ajustadas con tanta precisión.

Pero los físicos del LEP no estaban ahí para detectar la Luna o los

trenes; lo que querían era descubrir el bosón de Higgs. Y, durante

un tiempo, creyeron que lo habían hecho.

Tras una muy fructífera vida útil tomando medidas de precisión de

las propiedades del Modelo Estándar (que no supuso, sin embargo,

el descubrimiento de ninguna nueva partícula), estaba previsto que

el LEP se desconectase y se desmantelase en septiembre de 2000,

para ceder su lugar al LHC. Sabiendo que a su máquina solo le

quedaban unos pocos meses en funcionamiento, los técnicos lo

apostaron todo al doble o nada, y aguzaron su ingenio para alcanzar

los 209 GeV, una energía superior a la que contemplaban sus

especificaciones de diseño. Si eso provocaba una avería, la situación

no sería muy grave, puesto que el acelerador estaba a punto de

jubilarse.

Cuando los haces alcanzaron ese nuevo valor de la energía, un



equipo del experimento ALEPH liderado por Sau Lan Wu, de la

Universidad de Wisconsin- Madison, detectó una serie de eventos

que se distinguían del resto. Apenas unos pocos pero sugerentes

indicios, pero precisamente lo que cabría esperar si existiese un

bosón de Higgs con una masa de 115 GeV, justo en el límite de lo

que el LEP era capaz de ver. Wu tenía en su haber varios logros

importantes, incluido el premio de la Sociedad Europea de Física,

que compartió en 1979 por un experimento que ayudó a determinar

la existencia de los gluones. Le seguía la pista de cerca al Higgs, y

no iba a dejar escapar esa oportunidad así como así.

Normalmente, unos cuantos eventos en un detector de partículas no

son razón suficiente para emocionarse, incluso aunque su

apariencia concuerde perfectamente con la del Santo Grial que tanto

sus colegas como ella misma llevaban años buscando. La física de

partículas es cuestión de estadística: para prácticamente cualquier

cosa que se puede observar en un detector existe más de una

manera de que se produzca, y la clave está en comparar la

frecuencia de ocurrencia que cabría esperar con la que se obtendría

de existir una nueva partícula. De manera que, si unos pocos

eventos generan dudas, no queda más remedio que recabar más

datos. La intensidad de la señal aumentará, o bien se desvanecerá.

El problema es que no es posible recabar más datos cuando el

laboratorio va a desconectar el acelerador. Wu y otros físicos

solicitaron a Luciano Maiani, el físico italiano que en ese momento

ejercía como director general del CERN, que ampliase la vida útil del

LEP para poder recopilar más datos. Todo el mundo era consciente



de la posible trascendencia del potencial descubrimiento, y del

profundo remordimiento que sentirían si desconectaban la máquina

justo antes de encontrar el Higgs. Detectar por primera vez una

partícula elemental no es algo que suceda todos los días, y menos

aún una tan fundamental para nuestra comprensión de la física.

Como dijo entonces el físico Patrick Janot: «Estamos escribiendo un

renglón de la historia de la humanidad». Sabían asimismo que

tenían competencia: el acelerador Tevatrón del Fermilab, a las

afueras de Chicago, también tenía al Higgs en su punto de mira, y

cabía la posibilidad de que lo encontrase en los 115 GeV antes de

que el LHC estuviese operativo. La colaboración internacional es

muy importante en la física de partículas, pero en el interior de todo

científico late un corazón competitivo.

Maiani, consciente de lo que estaba en juego, tomó una decisión de

compromiso: el LEP se desconectaría, aunque su funcionamiento se

ampliaría un mes más, hasta finales de octubre de 2000. La

decisión no fue del agrado de quienes iban a la caza del Higgs, pero

se pusieron manos a la obra para acumular más datos en búsqueda

de eventos que encajasen con lo que se esperaba que el Higgs

produjese. Y los encontraron. Solo unos pocos, si bien

desperdigados por los cuatro experimentos que se estaban llevando

a cabo en el LEP, no solo en el detector ALEPH donde trabajaba el

equipo de Wu. Pero también acumularon muchos más efectos «de

fondo» que no se parecían en absoluto al Higgs.

Cuando el período de funcionamiento llegó a su fin, la relevancia

estadística total de los eventos supuestamente debidos al Higgs de



hecho había disminuido: la señal había acabado ahogada por el

fondo. El LEP podía haber seguido en activo, pero eso habría

supuesto un grave retraso en los planes de construcción del LHC, lo

que habría hecho que aumentasen los costes y que la nueva

máquina, más potente, hubiese tardado más en estar operativa. Por

muy tentadora que fuese la idea de hacer un último intento de

conseguir el premio gordo, había llegado la hora de la jubilación

para el LEP, y de que otros aceleradores tomasen su relevo en la

persecución.

§. SLAC, Brookhaven, Fermilab

El CERN ha sabido aglutinar los esfuerzos de muchos países

europeos (y, más recientemente, de todo el mundo) para crear un

laboratorio de física puntero, pero otras instalaciones también han

sido escenario de avances importantes para nuestra comprensión de

las partículas y las fuerzas. Tres laboratorios estadounidenses, en

particular, han contribuido a encajar las piezas del Modelo

Estándar: el SLAC, en la Universidad de Stanford, en California; el

de Brookhaven, en Long Island, y el Fermilab, a las afueras de

Chicago.

En un principio, el significado de las siglas SLAC era Stanford

Linear Accelerator Center (Centro del Acelerador Lineal de Stanford),

pero en 2008 el Departamento de Energía lo cambió oficialmente a

SLAC Linear Accelerator Center, quizá porque alguno de sus

mandamases sentía debilidad por la recursión infinita. (Es más

probable que fuese porque la Universidad de Stanford no quería



que el Departamento de Energía se apropiase de un acrónimo que

incluyese su nombre.) Fundado en 1962, el SLAC ocupa un lugar

único en la física de partículas, por albergar un acelerador lineal de

alta energía, una línea recta en lugar de un anillo circular. El

edificio en el que está situado el acelerador tiene más de tres

kilómetros de longitud, lo que lo convierte en el más largo de

Estados Unidos, y el tercero de todo el mundo. (Los dos primeros

son la Gran Muralla china y el Fuerte Ranikot, una fortificación

militar paquistaní del siglo XIX.) Originalmente, el acelerador

utilizaba electrones, que hacía chocar contra objetivos fijos. A partir

de los años ochenta, se modificó para producir colisiones entre

electrones y positrones y, más adelante, se le añadió un anillo, que

se nutre de los productos del acelerador lineal.

El SLAC desempeñó un papel fundamental en el descubrimiento de

varias partículas, incluidos el quark charm y el leptón tau, pero, sin

duda, su contribución más importante fue la demostración de que

la propia idea de los quarks era el camino a seguir. En 1990, el

premio Nobel se les otorgó a Jerome Friedman y Henry Kendall, del

MIT, y Richard Taylor, del SLAC, quien, en los años setenta, utilizó

el haz de electrones del SLAC para examinar detalladamente la

estructura interna de los protones. El equipo SLAC-MIT demostró

que los electrones de baja energía atravesaban los protones sin

sufrir desviaciones significativas, mientras que los de alta energía

(que cabría esperar que los hubiesen atravesado con más facilidad

todavía) tenían una mayor probabilidad de salir despedidos en

ángulos extraños. Las partículas con energías altas se corresponden



con vibraciones de sus campos de longitudes de onda cortas, y son

por lo tanto capaces de distinguir lo que sucede en distancias muy

cortas. Lo que los físicos estaban observando eran partículas muy

pequeñas que vivían en el interior de los protones, lo que hoy en día

conocemos como quarks.

El Laboratorio Nacional de Brookhaven se inauguró en 1947 y ha

contribuido a siete premios Nobel, cinco en Física y dos en Química.

El neutrino muónico, por el que Lederman, Schwartz y Steinberger

compartieron el Nobel, se descubrió en Brookhaven. Hoy en día, su

contribución principal a la física de partículas se debe al

Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC, Relativistic Heavy

Ion Collider), un anillo de casi cuatro kilómetros de longitud que

hace chocar entre sí núcleos pesados para crear un plasma de

quarks y gluones como el que existió instantes después del big

bang. Los responsables del Libro Guinness de los Récords han

certificado que el RHIC ha sido el escenario donde se alcanzó la

temperatura más elevada producida artificialmente: cuatro billones

de grados centígrados, unas 250.000 veces la temperatura en el

centro del Sol. El objetivo de la física que se lleva a cabo en el RHIC

no es tanto la búsqueda de nuevas partículas como entender cómo

se comportan los quarks y los gluones en circunstancias tan

extremas.

El tercer gran complejo dedicado a la física de altas energías es el

Acelerador del Laboratorio Nacional Fermi, o Fermilab.

Especializado en anillos gigantes que aceleraban protones y

antiprotones a altas energías, el Fermilab fue un competidor directo



del CERN durante buena parte de su existencia. Se inauguró en

1967, bajo la dirección de Robert Wilson, científico polifacético y

gestor innovador, famoso entre los físicos por su creatividad y su

aparente capacidad para conseguir lo imposible. No solo logró que el

laboratorio estuviese en funcionamiento antes de lo previsto y por

un coste menor del presupuestado, sino que diseñó el edificio

principal y creó personalmente muchas de las esculturas que

decoran el lugar. Cuando Wilson, que había estudiado escultura

durante una breve temporada en la Accademia di Belle Arti en

Roma, propuso construir un obelisco de metal de diez metros para

el laboratorio, le dijeron que la normativa exigía que toda la

fundición la llevasen a cabo personas afiliadas al sindicato de

soldadores. Su respuesta fue la natural (para él): se afilió al

sindicato, se enroló como aprendiz del maestro soldador James

Forester, del taller de maquinaria del Fermilab, y siguió

diligentemente el correspondiente curso de formación. El obelisco,

construido por Wilson en sus pausas para almorzar y durante los

fines de semana, se instaló en 1978 en un estanque reflectante en el

exterior del vestíbulo principal.

La joya del Fermilab era el Tevatrón, una enorme máquina que

generaba colisiones de protones y antiprotones a energías de 2.000

GeV. (Recuerde que «TeV» proviene de «teraelectronvoltio», 1 billón

de electronvoltios, es decir, 1.000 GeV.) Finalizado en 1983, el

Tevatrón fue el acelerador de mayor energía de todo el mundo hasta

que el LHC pasó a ocupar ese puesto en 2009. Su mayor logro fue el

descubrimiento del quark top, anómalamente pesado, que se



identificó finalmente en 1995. Gordon Watts, de la Universidad de

Washington, que por aquel entonces era estudiante de doctorado en

el Fermilab, recuerda el momento en que la señal superó el umbral

de los «tres sigmas» (que se explica en el capítulo 9), decisivo para

poder afirmar que había evidencia de una nueva partícula:

Estábamos en una reunión importante revisando todos los

análisis que estaban a punto de hacerse públicos en una de las

conferencias. Todos ellos reflejaban un pequeño exceso, tan

pequeño que no era realmente significativo. De hecho, esa era la

situación desde hacía un tiempo y todos estábamos ya

acostumbrados, así que lo cierto es que lo ignoramos.

Estábamos llegando al final de una de las maratonianas

reuniones habituales y la sala estaba a rebosar. Yo estaba al

fondo, sentado en el suelo. Hacía calor y el aire en la habitación

estaba... cargado (por decirlo suavemente). Creo que estábamos

a punto de escuchar la última de las charlas cuando una de las

personas que había llegado lo suficientemente pronto como para

hacerse con una silla levantó la mano: «Eh... Esperad un

momento... Si hacemos algo tan sencillo como sumar todos los

fondos y las señales, supera los tres sigmas». Se hizo el silencio

en la habitación, todo el mundo se puso a revisar

apresuradamente las notas de las charlas para comprobar si

era cierto lo que decía. El siguiente en hablar fue el portavoz, o el

coordinador, y fue para soltar una palabrota. Creo que todos

sentimos el mismo escalofrío.



El largo tiempo deseado bosón de Higgs estaba fuera del alcance del

Tevatrón. Con una energía y una luminosidad menores que las del

LHC, la máquina estadounidense nunca tuvo grandes posibilidades

de resultar ganadora en esa carrera. Pero después de que se

desconectase el LEP, y antes de que el LHC entrase en

funcionamiento, el Fermilab dispuso de una oportunidad en que

pudo haber obtenido la primera evidencia concluyente de la

misteriosa partícula. Finalmente, los físicos del Tevatrón lograron

excluir la posibilidad de que el Higgs se encontrase en ciertos

intervalos de masa, pero no pudieron afirmar que hubiesen

encontrado pruebas definitivas de su existencia.

Frente a la importante presión debida a la difícil situación

presupuestaria, así como a las energías mucho más elevadas a las

que podía funcionar el LHC, el Tevatrón se desconectó

definitivamente el 30 de septiembre de 2011, poniendo fin así a la

carrera del último colisionador de partículas de alta energía de

relevancia situado en suelo estadounidense. (El Colisionador de

Iones Pesados Relativistas lleva a cabo una labor importante en

física nuclear, pero no compite por la búsqueda de nuevas

partículas, ya que alcanza energías de menos de 10 GeV por

nucleón.) A día de hoy, no se sabe si en algún momento tendrá un

sucesor.

§. El Supercolisionador

Por supuesto, se suponía que el Tevatrón iba a tener sucesor: el

Supercolisionador Superconductor (SSC, Superconducting Super



Collider), que en 1987 contaba con el apoyo del presidente Ronald

Reagan y cuya entrada en funcionamiento en un principio estaba

prevista para 1996. El SSC era un proyecto enormemente

ambicioso, que incluía un nuevo anillo de 87 kilómetros de

circunferencia, donde chocarían protones con energías de 40 TeV

total, veinte veces más que en el Tevatrón. Con la perspectiva que

da el tiempo, puede que fuese demasiado ambicioso. Al principio, el

proyecto contó con muchos apoyos, cuando aún no se había

decidido la ubicación del laboratorio: la delegación en el Congreso

estadounidense de prácticamente todos y cada uno de los estados

podía imaginar que conseguiría que el proyecto se implantase en su

territorio, y cuarenta y tres de ellos se lo tomaron lo suficientemente

en serio como para realizar estudios geológicos y económicos. El

ganador final fue el pueblecillo de Waxahachie, en Texas, a unos

cincuenta kilómetros al sur de Dallas.

Una vez que se hubo decidido la ubicación del SSC, el entusiasmo

por el proyecto decayó rápidamente en cuarenta y nueve de las

cincuenta delegaciones estatales en el Congreso. En aquella época,

había mucha presión para reducir el déficit federal, y el coste del

SSC, que ya era inicialmente elevado, se había triplicado hasta

alcanzar los 12.000 millones de dólares. La competencia de la

Estación Espacial Internacional (ISS, International Space Station)

resultó ser un factor adicional (a ojos de los funcionarios del

gobierno, no para los científicos). El presupuesto de la NASA

dedicado a la ISS era de más de 50.000 millones de dólares, o de

más de 100.000 millones si se incluían los vuelos del transbordador



espacial. A nadie se le escapaba que buena parte del dinero de ese

gigantesco proyecto también iría a parar a Texas, ya que el control

de las misiones se llevaba a cabo desde el Centro Espacial Johnson.

Le pregunté a JoAnne Hewett, que actualmente trabaja como física

teórica en el SLAC, qué fue lo que la llevó a aceptar ese trabajo. Me

respondió con una fecha muy concreta: el 21 de octubre de 1993, el

día que el Congreso votó la cancelación definitiva del SSC. Hewett

tenía ofertas del laboratorio del SSC y del SLAC, y estaba deseando

participar de la emocionante atmósfera que se respiraba alrededor

de la máquina que se estaba construyendo. Se pasó esa mañana de

otoño viendo la sesión del Congreso por televisión, contemplando

impotente cómo la votación caía del lado equivocado. Pasó la tarde

apenada y después llamó al director del SLAC para aceptar su

oferta. Allí ha tenido una carrera de éxito, construyendo nuevos

modelos en física de partículas e inventando ingeniosas maneras de

compararlos con los datos, pero uno no puede evitar preguntarse

qué habría pasado si hubiese dispuesto de esos datos antes, y si

estos proviniesen de colisiones de mayor energía.

Por aquel entonces, yo acababa de entrar como postdoc en el grupo

de física teórica de partículas del MIT. Recuerdo una lúgubre

reunión, en la que convocamos a toda la comunidad de físicos de la

zona de Boston para juntarnos y hablar sobre cuáles debían ser

nuestros siguientes pasos. Algunas cuestiones eran científicas:

¿existe alguna otra manera de contestar a las preguntas que el SSC

habría tratado de responder? Otras eran más de índole práctica:

¿deberíamos apoyar que Estados Unidos hiciese una importante



inversión en el LHC, o seguir luchando aunque la batalla ya

estuviese perdida? Y algunas eran incluso más prácticas: ¿hay

alguna manera en que podamos ofrecer trabajos o puestos

temporales a los científicos que se quedaron en la calle por el cierre

del laboratorio del SSC?

Cuando se canceló el SSC, ya se habían gastado 2.000 millones de

dólares en excavar parte del túnel y en construir algunas de las

infraestructuras físicas necesarias. No es fácil precisar un único

motivo para la decisión del Congreso de cancelar el proyecto, pero

fueron habituales las quejas ante la reticencia de la dirección del

SSC a establecer los debidos procedimientos burocráticos. Un

informe de 1994, posterior a la cancelación, de un comité interno

del Congreso, titulado Fuera de control: Lecciones del

Supercolisionador Superconductor, detallaba numerosas acusaciones

de malas prácticas en la gestión, como una constante y excesiva

estimación a la baja de los costes, la incapacidad para llevar a cabo

las revisiones internas obligatorias, y los problemas para

comunicarse con el Congreso y con el propio Departamento de

Energía. A veces las críticas rayaron en lo absurdo, como cuando la

prensa se hizo eco de que el laboratorio había gastado 20.000

dólares en plantas (al final, resultó que esa cifra incluía el

paisajismo). Entre los físicos, por su parte, se dejaba sentir la

irritación por lo que consideraban excesos burocráticos. Roy

Schwitters, que ocupaba el puesto de director del laboratorio del

SLAC, rezongó así ante un periodista: «Los burócratas y los políticos

no hacen más que ponernos zancadillas. El SSC va a acabar siendo



víctima de la venganza de los estudiantes mediocres». Con la

perspectiva que da la distancia, puede que, políticamente, esa no

fuese una manera muy hábil de expresar su malestar.

Entretanto, los físicos se peleaban entre sí. Aunque la física de

partículas recibe una importante proporción de la atención pública

y del dinero invertido en investigación, es claramente un campo

minoritario dentro del conjunto de toda la física. Solo el 7 por ciento

de los miembros de la Sociedad Americana de Física (APS)

pertenecen a la subdivisión de partículas y campos; el resto se

identifican como investigadores en materiales y materia

condensada, física atómica y molecular, óptica, astrofísica, física de

plasmas, dinámica de fluidos, biofísica u otras especialidades. A

finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, muchos de

los practicantes de estas otras especialidades estaban bastante

molestos con toda la atención y financiación que recibía la física de

partículas, y para ellos el SSC era una muestra de hasta qué punto

el orden de las prioridades no era el más adecuado.

Bob Park, director ejecutivo del departamento de relaciones

institucionales de la APS en aquella época, dijo en 1987 que el SSC

era «posiblemente el asunto que había provocado una mayor

división entre la comunidad física en toda su historia». Philip

Anderson, de Princeton, un reputado físico de la materia

condensada que obtuvo el premio Nobel en 1977, hizo hincapié en la

«irrelevancia prácticamente total de los resultados de la física de

partículas no solo para la vida real, sino para el resto de la física», y

afirmó que, aunque posiblemente el SSC sería positivo para la



ciencia, quizá fuese preferible destinar ese dinero a otros fines.

James Krumhansl, físico de materiales en Cornell y candidato a la

presidencia de la APS, pensaba que el proyecto estaba detrayendo

fondos de otros campos de investigación más rentables, y que la

construcción de un nuevo acelerador de partículas debería esperar

hasta que las tecnologías relacionadas con la superconductividad y

el magnetismo estuviesen más desarrolladas. Los físicos de

partículas suelen hacer un flaco favor a su causa al defender ante

sus colegas que los avances en otros campos, como por ejemplo en

el de las imágenes por resonancia magnética, se derivan del

desarrollo de los aceleradores. Como declaró en 1991 Nicolaas

Bloembergen, también premio Nobel y presidente de la APS: «Como

uno de los pioneros en el campo de la resonancia magnética, puedo

afirmar que este surgió como consecuencia de la ciencia a pequeña

escala».

Ocultas en cierta medida tras las luchas sobre el control

burocrático, las dificultades presupuestarias y las prioridades

disciplinarias, quedaron cuestiones de más calado sobre el

significado de la investigación básica y la importancia intrínseca de

los descubrimientos. En 1993 había un nuevo presidente y también

eran nuevos muchos de los miembros del Congreso, que se habían

comprometido a controlar el gasto público. El muro de Berlín había

caído y la Unión Soviética se había hundido, poniendo fin a la

guerra fría y a la consiguiente batalla por la superioridad

tecnológica. Tras alcanzar su apogeo con el Proyecto Manhattan

durante la Segunda Guerra Mundial, la influencia de los físicos de



altas energías sobre las políticas nacionales había ido declinando

progresivamente durante medio siglo. Las personas razonables

pueden estar de acuerdo en que la búsqueda de una mejor

comprensión del universo es importante, pero también lo es

disponer de una sanidad apropiada y de una seguridad económica

para los ciudadanos del país. Incluso durante las épocas de

bonanza, es difícil encontrar el equilibrio entre estas distintas

prioridades.

Una vez que el SSC se canceló definitivamente, los terrenos y las

instalaciones pasaron a ser propiedad del estado de Texas, que

durante mucho tiempo trató de venderlos a algún inversor privado.

Finalmente lo logró en 2006, cuando un millonario de Arkansas

llamado Johnnie Bryan Hunt compró el lugar por 6,5 millones de

dólares. Su idea era convertir el complejo del SSC en un almacén de

datos de la máxima seguridad informática. El laboratorio estaba

equipado con líneas de alimentación eléctrica y de comunicaciones,

y el lugar había sido cuidadosamente seleccionado para minimizar

el riesgo de terremotos e inundaciones. Pero, ese mismo año, Hunt,

que tenía setenta y nueve años, resbaló sobre una placa de hielo y

murió como consecuencia de los daños cerebrales sufridos. Los

planes para el centro de procesamiento de datos se abandonaron y

la calma volvió al lugar que debía haber ocupado el SSC. Cuando

escribo estas líneas, en 2012, el complejo ha sido comprado de

nuevo por una empresa de productos químicos que espera construir

allí una nueva fábrica, pese a las enérgicas reticencias de los

vecinos. Sea cual sea el destino final del laboratorio del SSC,



Waxahachie no tiene un papel importante en la búsqueda del bosón

de Higgs.

Como muchos habían predicho, la cancelación del SSC no llevó a

que aumentase el presupuesto de otros campos de la ciencia. De

hecho, los miembros del Congreso que tanto entusiasmo habían

mostrado por los recortes gustosamente hicieron lo propio con el

resto del presupuesto para la investigación. Este desafortunado

episodio sí tuvo, no obstante, un vencedor reconocido: el Gran

Colisionador de Hadrones. Cuando vieron truncado su sueño de

disponer de una máquina de referencia, los físicos estadounidenses

presionaron para que Estados Unidos se involucrase más a fondo en

el LHC. Esa inyección de dinero contribuyó a ampliar el alcance del

LHC, manteniendo viva la esperanza de que el Higgs no se nos

escapase indefinidamente.



Capítulo 5

La máquina más grande jamás construida

Donde visitamos el Gran Colisionador de Hadrones, el

prodigio de la ciencia y la tecnología que ha estado

buscando el bosón de Higgs.

El 10 de septiembre de 2008, el Gran Colisionador de Hadrones

(LHC) cobró vida. Entre los vítores de miles de físicos de todo el

mundo, los primeros protones circularon con éxito por el anillo.

Corrió el champán, hubo discursos y palmaditas en la espalda, y

por fin dio comienzo una nueva era de descubrimientos.

Nueve días después, estalló.

No todo el acelerador, evidentemente. El LHC está alojado en un

túnel subterráneo a cien metros de profundidad y unos veintisiete

kilómetros de circunferencia que atraviesa la frontera entre Suiza y

Francia en las proximidades de Ginebra. Debería producirse un

cataclismo inimaginable para que todo estallase. Pero las piezas

individuales sí se pueden estropear.

Para que el LHC funcione, su interior debe mantenerse a muy baja

temperatura. La máquina hace circular haces de protones a lo largo

de dos tuberías distintas: una para los que se mueven en el sentido

de las agujas del reloj y otra para los que lo hacen en sentido

contrario, de manera que se pueda hacer colisionar dichos haces en

determinados puntos, donde están situados los experimentos.

Ambas tuberías atraviesan imanes superpotentes, cuya función es

curvar con precisión la trayectoria de los protones para que tracen



el recorrido predeterminado.

Crear campos magnéticos es fácil: basta con hacer que circule una

corriente eléctrica a través de un circuito cerrado. Para crear

campos intensos, se necesita mucha corriente. Pero la mayoría de

los materiales, incluso los cables de alta calidad, ofrecen cierta

resistencia al flujo de corriente. El problema es que el cable se

empieza a calentar y acaba, en última instancia, fundiéndose. Para

evitar este problema, los cables se enfrían a temperaturas

extraordinariamente bajas, tanto que se vuelven superconductores.

Un superconductor no posee resistencia alguna, de manera que los

cables no se calientan cuando una corriente los atraviesa. El LHC es

el mayor frigorífico del mundo (y con mucha diferencia). El

enfriamiento se logra utilizando helio líquido, que se mantiene a

menos 269 grados centígrados, apenas 3,4 grados por encima del

cero absoluto, la temperatura más baja posible.

Esto es lo preocupante: si la temperatura del helio se eleva, aunque

sea poco, los cables de los imanes dejan de ser superconductores.

Cuando eso sucede, la enorme cantidad de corriente eléctrica que

los atraviesa se topa con una resistencia y responde calentándolos

aún más, lo cual a su vez hace que el helio se caliente y el proceso

se desboca: el helio líquido pasa a estado gaseoso, lo cual provoca el

estallido de los recipientes que lo contienen. Cuando está en

funcionamiento, los imanes del LHC están siempre a un minúsculo

paso del desastre.

Entre los físicos, un suceso de pérdida de control como ese se

conoce como un quench. El 19 de septiembre de 2008, una avería



eléctrica aparentemente menor provocó un quench en un imán, y

los problemas se extendieron con rapidez a los imanes cercanos.

Lyn Evans, director del LHC en aquella época, recuerda que estaba

en la oficina de personal, discutiendo sobre algo bastante banal,

cuando lo llamaron a su móvil y le dijeron que acudiese

inmediatamente. La cosa parecía grave. «Cuando llegué, no había

visto tal carnicería ni siquiera en una pantalla de ordenador. Todo

estaba rojo.»

Lograron localizar el origen del problema: una conexión defectuosa

en una juntura superconductora que provocó una descarga eléctrica

que agujereó el recipiente con el helio. Finalmente, hubo que

cambiar más de 50 imanes de los 1.232 que se emplean para curvar

la trayectoria de los protones a lo largo del anillo del LHC. Las

primeras informaciones provenientes del CERN definieron el

accidente como una «fuga», pero «explosión» es una descripción más

precisa. En pocos minutos, más de seis toneladas de helio líquido se

vertieron en el túnel, y las tensiones arrancaron los imanes de sus

fijaciones al suelo. Los procedimientos de seguridad exigen que se

prohíba la entrada de cualquier persona al túnel del LHC mientras

circulan los protones, pero, de hecho, en el momento del accidente

el haz estaba desconectado. Por suerte, la zona afectada estaba

vacía y nadie resultó herido.

§. Redoblando esfuerzos

Al menos, nadie resultó físicamente herido. Mentalmente, los daños

fueron más graves. Robert Aymar, un físico francés que era director



general del CERN por aquel entonces, emitió un comunicado de

prensa que decía: «Apenas unos días después del gran éxito que

supuso la puesta en marcha del LHC el 10 de septiembre, no cabe

duda de que, psicológicamente, este es un golpe duro». Tras años de

intenso trabajo, a punto de ver por fin el LHC en funcionamiento,

este inesperado revés resultaba desalentador.

Pero esta historia tiene un final feliz. Por grande que fuese el

desánimo que provocó, la explosión del 19 de septiembre también

hizo que la comunidad del CERN se comprometiese con el objetivo

de devolverle la vida al LHC. Los ingenieros y los físicos se pusieron

manos a la obra en la tarea de comprobar y mejorar cada pieza de la

maquinaria para asegurarse de que podría soportar las

extraordinarias energías que esperaba dominar. No se trataba

únicamente de apretar unos cuantos tornillos sueltos: no solo había

que reparar los equipos dañados, sino que había que someter todas

y cada una de las piezas de la máquina a un estándar de calidad

superior. Era una labor lenta y exigente. Pasó más de un año hasta

que el acelerador estuvo de nuevo en condiciones de entrar en

funcionamiento.

El cargo oficial de Mike Lamont es coordinador de máquinas en el

LHC, pero un fan de Star Trek lo describió una vez como «el míster

Scott del LHC». Lleva más de veintitrés años en el CERN, y es el

responsable de que el flujo de protones no se detenga ni siquiera

ante obstáculos en apariencia insuperables. Por supuesto, los

pequeños fallos técnicos se sucedían continuamente, pero, a medida

que se acercaba la fecha en que el LHC entraría de nuevo en



funcionamiento, era como si cada problemilla creciese hasta

adquirir proporciones gigantescas. Durante las pruebas realizadas

el 3 de noviembre de 2009, la temperatura de varios imanes empezó

a subir debido a una avería eléctrica en uno de los generadores

situados en la superficie. Lamont les explicó a los curiosos

periodistas que habían determinado que el origen del problema

había sido un pequeño pedazo de pan que había caído sobre una

barra colectora. Al parecer, un pájaro había dejado caer un trocito

de baguette desde el aire. Lamont y el resto de los ingenieros lo

repararon rápidamente y la situación volvió a la normalidad, pero no

sin que antes la noticia hubiese dejado perplejos a los periodistas.

El Telegraph publicó una fotografía del detector CMS junto a otra de

una paloma, acompañadas del texto siguiente: «El Gran

Colisionador de Hadrones (izquierda) y su archienemigo (derecha)».

El 20 de noviembre de 2009, los protones volvieron a circular por el

LHC por primera vez desde el accidente. Tres días más tarde, los

haces se unieron para producir las primeras colisiones en la

máquina. Y apenas siete días después de esto, las energías habían

aumentado hasta el punto de que el LHC ya era el acelerador de

mayor energía jamás construido.

La programación normal del LHC incluía una parada en pleno

invierno para reducir gastos durante los meses en que la

electricidad es más cara en Ginebra. Pero en 2009-2010 todo el

mundo estaba impaciente, y el personal redobló sus esfuerzos para

poner el acelerador a pleno rendimiento. Los primeros datos físicos

(por contraposición con los de «puesta en marcha» que se utilizan



durante las pruebas) se tomaron a principios de 2010. En marzo de

ese año, el LHC alcanzó su objetivo provisional en cuanto a energía

(la mitad del objetivo final), y al hacerlo estableció un nuevo récord

para colisiones de alta energía. El champán corrió de nuevo.

Con la perspectiva del tiempo, el accidente de septiembre de 2008

sirvió para que los físicos y los técnicos del LHC comprendiesen

mucho mejor cómo funciona su máquina y, como consecuencia, las

sesiones de recopilación de datos a partir de 2010 fueron

básicamente una sucesión de historias de éxito. Puesto que, en la

práctica, el LHC no entró en funcionamiento hasta ese año, a casi

todos nos sorprendió que, en julio de 2012, los experimentos ya

hubiesen recopilado y analizado suficientes datos para descubrir el

Higgs. Es como si nos compráramos un coche caro, el coche se

averiase prácticamente en ese mismo instante y tuviésemos que

hacer frente durante una temporada a molestos problemas de

mantenimiento, pero una vez que por fin consiguiéramos salir con él

a la carretera y pisásemos el acelerador, su rendimiento nos dejase

sin habla.

El Gran Colisionador de Hadrones es ciencia a la mayor de las

escalas. El número de elementos que lo componen —tanto humanos

como mecánicos— en ocasiones puede llegar a intimidar o a

abrumar. En palabras del premio Nobel Jack Steinberger: «El LHC

es un símbolo de lo difícil que resulta realizar cualquier progreso en

la época en que vivimos. Menuda diferencia con los días en que era

estudiante de doctorado, hace sesenta y cinco años, cuando, sin

ayuda y en medio año, pude llevar a cabo un experimento que



supuso un interesante avance». El LHC es la máquina más grande y

más compleja que el ser humano ha construido jamás, y a veces

resulta sorprendente constatar incluso que funciona.

Pero así es. Y de manera espectacular. Una y otra vez, los físicos con

los que conversé cuando estaba escribiendo este libro me hablaron

de la imponente magnitud del proyecto, pero también de cómo el

CERN podía servir de modelo para la colaboración internacional a

gran escala. El físico experimental Joe Incandela afirmó: «Lo que me

maravilla es que tenemos gente de setenta países de todo el mundo

trabajando conjuntamente. Palestinos e israelíes trabajando codo

con codo, científicos iraníes e iraquíes que trabajan juntos. No

deberíamos ignorar colaboraciones como estas, que tienen el

objetivo de hacer ciencia con mayúsculas. Joe Lykken, un físico

teórico estadounidense que trabaja en el Fermilab, añadió con un

toque de melancolía: «Si las Naciones Unidas fuesen capaces de

funcionar como el CERN, el mundo sería un lugar mucho mejor».

Si el lector cree que la labor de buscar partículas como el bosón de

Higgs, para cuya producción se requiere una enorme cantidad de

energía, merece la pena, la ciencia a gran escala es la única vía

posible. Con experimentos relativamente baratos y con limitados

medios se puede llevar a cabo una gran cantidad de estupenda

investigación, pero descubrir nuevas partículas con masa está en

otra categoría. Hoy en día, el LHC es nuestra única opción, y su

rendimiento es buena muestra del ingenio y la perseverancia

humanos.



§. Años de planificación

El LHC es un prodigio de planificación y diseño. Los físicos del

CERN llevaban un tiempo pensando en un colisionador de protones

gigante, pero las primeras conversaciones «oficiales» sobre lo que

acabaría siendo el LHC tuvieron lugar en unas jornadas de trabajo

en Lausana (Suiza) en marzo de 1984. Los responsables del

proyecto sabían que Estados Unidos estaba contemplando la idea de

lo que acabaría siendo el Supercolisionador Superconductor, por lo

que debían decidir si la construcción de un competidor europeo

constituía un uso razonable de unos recursos escasos. (No sabían,

por supuesto, que más adelante el SSC se cancelaría.) A diferencia

del SSC, cuya construcción empezaría desde cero, el alcance del

LHC estaría limitado por la necesidad de que encajase dentro del

túnel del LEP, ya construido. En consecuencia, el objetivo en cuanto

a energía se estableció en 14 TeV, apenas algo más de un tercio de

los 40 TeV que pretendía alcanzar el SSC. Pero el LHC sería capaz

de generar más colisiones por segundo, y era menos caro. Y cabía la

posibilidad de que toda la física interesante estuviese accesible a 14

TeV, lo que haría irrelevante la energía del SSC.

Buena parte del impulso al proyecto del LHC se debía al físico

italiano Cario Rubbia, un físico experimental influyente e impetuoso

que había recibido el premio Nobel en 1984 por el descubrimiento

de los bosones W y Z. Rubbia es una figura grandiosa, tan conocido

por su enérgica personalidad como por sus logros científicos (que

son considerables). Fue él quien, en 1981, convenció al CERN para

que construyese el primer colisionador protón-antiprotón, un



concepto que más adelante también adoptaría el Tevatrón del

Fermilab. (Con el LHC hemos vuelto a los choques entre protones,

ya que es demasiado difícil generar un número suficiente de

antiprotones para alcanzar el número deseado de colisiones.)

Primero como presidente del Comité de Planificación a Largo Plazo

del CERN, y más tarde como director general del laboratorio entre

1989 y 1993, Rubbia impulsó con determinación el LHC en un

momento en que el LEP aún no se había terminado de construir y se

pensaba que Estados Unidos seguiría adelante con el SSC. Europa

tenía que hacer frente a sus propias dificultades presupuestarias,

en particular Alemania, donde los costes de la unificación eran

elevados. Rubbia logró finalmente convencer a los gobiernos

europeos de que un colisionador de hadrones era el paso más lógico

para el laboratorio, con independencia de lo que pudieran hacer

otros países. No fue hasta 1991 cuando el consejo del CERN aprobó

una resolución para estudiar oficialmente la propuesta del LHC, y

hasta diciembre de 1994 (después de que el SSC hubiese sido

cancelado) el proyecto no logró la aprobación definitiva. Lyn Evans

fue nombrado director del LHC, y dio comienzo realmente la

imponente tarea de hacer realidad la idea.

§. El arquitecto

En un proyecto de tantos años de duración, en el que participan

tantas personas y países distintos, y con un número tan abrumador

de subproyectos importantes, sería injusto que una sola persona

acaparase casi todo el reconocimiento, restándole así importancia al



papel de tantas otras. Sin embargo, si alguien puede presumir de

haber construido el LHC, ese es Lyn Evans.

Evans da la impresión de ser un hombre modesto, con su pelo

canoso y su aspecto distinguido pero informal. Nacido en una

familia de mineros galeses, su primer amor fue la química.

Disfrutaba especialmente fabricando explosivos, cosa que no es de

extrañar en alguien que un día acabaría diseñando las colisiones

entre partículas de mayor energía que los humanos hemos logrado

jamás. En la universidad se pasó a la física, porque era «más

interesante y más fácil». Cuando se aprobó el proyecto del LHC, el

CERN necesitaba a alguien con la experiencia suficiente para tomar

las riendas del proyecto, pero con la suficiente juventud y energía

para llevarlo a buen puerto. A Evans se le encomendó la formidable

tarea de extraer toda la física posible de una máquina de tamaño

fijo, con un presupuesto limitado, y con una serie de retos

tecnológicos únicos en la historia de la ciencia experimental. Fue

Evans quien encontró la manera de modificar los esquemáticos

planes originales del LHC para acabar con un diseño que fuese

compatible con la realidad presupuestaria.

Durante el desarrollo de un proyecto de ingeniería de esta

magnitud, era de esperar que apareciesen inesperados obstáculos

en el camino. Aunque el túnel que acogería al LHC ya existía,

cortesía del LEP, hubo que excavar nuevas galerías para los cuatro

grandes experimentos que se dedicarían a medir los resultados de

las colisiones. El experimento CMS está situado en la zona del anillo

más alejada de la sede principal del CERN, junto al pueblo de



Cessy, del lado francés de la frontera. Cuando los operarios se

disponían a excavar un agujero para el nuevo experimento, se

encontraron con algo inesperado: las ruinas de una villa romana del

siglo IV. Se hallaron joyas y monedas provenientes de lo que ahora

son Inglaterra, Francia e Italia, una noticia fascinante para los

arqueólogos, pero que supuso un retraso crítico para los físicos: la

construcción se paralizó durante seis meses, mientras se

examinaban las ruinas.

Pero la cosa no acabaría ahí, ni mucho menos. Resulta que la

galería del CMS está situada bajo el lecho de un río subterráneo. La

corriente de agua no afectaría al experimento, pero sí dificultaba el

propio proceso de excavación. Al equipo de construcción se le

ocurrió una solución muy física: introdujeron en el suelo varias

tuberías y las rellenaron de nitrógeno líquido, lo que hizo que el

agua se congelase y les permitió realizar las excavaciones en terreno

sólido. «Fue muy emocionante», reconoció Evans.

Como los muchos otros físicos y como el personal del CERN que

trabajaba en el LHC, Evans perseveró. Aparte de los problemas

técnicos, los caprichosos gobiernos amenazaban constantemente

con cortar su aportación al CERN. Al más alto nivel, la física de

partículas requiere tanta diplomacia e inteligencia política como

conocimientos técnicos. En 1997 se dio un gran paso adelante

cuando Estados Unidos aceptó contribuir al proyecto con dos mil

millones de dólares. Todos los estados que forman parte

oficialmente del CERN son europeos: Alemania, Austria, Bélgica,

Bulgaria, República Checa, Dinamarca, Eslovaquia, España,



Finlandia, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Noruega, Países Bajos,

Polonia, Portugal, Reino Unido, Suecia y Suiza. Estados Unidos

(junto con la India, Japón, Rusia y Turquía) es un Estado

«observador», que puede participar en las operaciones físicas y

asistir a las reuniones del consejo del CERN, pero al que no se le

permite participar oficialmente en las decisiones sobre las políticas a

seguir. Muchos otros países han alcanzado acuerdos por los cuales

sus científicos pueden trabajar en el CERN. Pero Estados Unidos es

el peso pesado, y obtener garantías de su compromiso con el éxito

del LHC fue muy importante para el proyecto, como también lo

fueron los compromisos previos de Japón y Rusia. Al poco tiempo,

más de mil físicos estadounidenses estaban trabajando en el LHC.

Evans tiene de natural un estilo relajado, y se encuentra más a

gusto toqueteando los equipos con sus propias manos que

exigiéndoles a sus subordinados que guarden un detallado registro

de los avances que se produzcan. Aunque la construcción del LHC

progresó según el calendario previsto, las pequeñas desviaciones

presupuestarias se fueron acumulando gradualmente. La situación

se destapó en 2001, cuando se supo que el presupuesto había

aumentado en alrededor de un 20 por ciento. En contra del criterio

de Evans, el director general, Luciano Maiani, hizo públicos los

sobrecostes en una reunión abierta del consejo del CERN,

solicitando directamente que los estados miembros hiciesen una

aportación adicional para cubrirlos.

Eso no les hizo ninguna gracia. Robert Aymar, que sucedería a

Maiani como director general en 2004, recibió instrucciones del



consejo del CERN para que llevase a cabo una minuciosa auditoría

de la gestión de la emblemática máquina. Hubo quien se preguntó si

Evans era la persona adecuada para la tarea burocrática, o si hacía

falta una mano más firme. Pero Aymar era consciente de que nadie

entendía el LHC como Evans, y sabía que eso pesaba mucho más

que su carácter disoluto, así que continuó como director del

proyecto. Más tarde, Evans se referiría a esta época como el peor

momento de su trabajo en el LHC. «Me frieron a interrogatorios —

dijo—. Fue el peor año de todos.»

Reflexionando sobre el accidente del 19 de septiembre, una vez que

la máquina se puso en funcionamiento, Evans comentó: «Fue en el

último circuito del último sector. Una putada. Por suerte, ya había

superado otros problemas complicados en el pasado».

§. Acelerando partículas

En el juego del tetherball, un extremo de la cuerda se engancha a lo

alto de un poste, y del otro cuelga un balón de voleibol. Los dos

combatientes se sitúan a ambos lados del poste, y golpean con

fuerza el balón intentando que la cuerda se enrolle alrededor del

palo. Imagine ahora que solo hay un jugador, y que la cuerda puede

dar vueltas libremente alrededor del extremo superior del poste, en

lugar de enrollarse. En cada vuelta, el jugador empuja el balón en la

misma dirección, haciendo que alcance una velocidad cada vez

mayor.

En pocas palabras, esa es la idea básica de un acelerador de

partículas como el LHC. El lugar del balón lo ocupa un puñado de



protones; el de la cuerda que hace que la pelota se mueva en

círculos, unos intensos campos magnéticos que curvan la

trayectoria de los protones a lo largo del anillo; y el del jugador que

golpea la pelota, un campo eléctrico que impulsa los electrones para

que su velocidad aumente con cada vuelta.

Comparado con los objetos que nos rodean, un protón es diminuto.

No es posible cogerlo y lanzarlo o golpearlo con la mano cuando

pasa por delante. Para acelerar los protones en el LHC, un

generador de voltaje produce un campo eléctrico que varía

rápidamente y alterna su dirección cuando pasan los protones,

alrededor de 400 millones de veces por segundo. El ritmo al que

cambia de dirección está sincronizado con precisión, de manera que

cada protón, al atravesar la cavidad, siempre ve un campo eléctrico

que apunta en la misma dirección, lo que hace que su velocidad

aumente rápidamente. El impulso solo tiene lugar en un punto del

anillo; la mayoría de la energía a lo largo de los veintisiete

kilómetros de recorrido se emplea en hacer que los protones se

muevan en la dirección apropiada, no en acelerarlos.

Cuando el LHC funciona a pleno rendimiento, por él circulan

alrededor de 500 billones de protones en dos haces, uno que se

mueve en el sentido de las agujas del reloj y otro en sentido

contrario. (Las cifras son aproximadas, porque normalmente el

rendimiento de la máquina va mejorando con el tiempo.) Son

muchísimos protones, pero no dejan de ser un número muy

pequeño en comparación con los que contiene cualquier objeto

cotidiano. Todos los protones del LHC provienen de una única



bombona de hidrógeno sin nada de particular, que tiene la

apariencia de un extintor. Una molécula de hidrógeno tiene dos

átomos, cada uno de ellos compuesto por un protón y un electrón.

Se extrae de la bombona una pequeña cantidad de hidrógeno, se

somete a una descarga eléctrica para arrancar los electrones, y los

protones continúan su camino. Cuando llegó al CERN, Lyn Evans,

que tenía formación en fusión pero no en física de partículas,

empezó trabajando precisamente en este proceso. La bombona

contiene aproximadamente 1027 átomos de hidrógeno, suficientes

para mantener el LHC en funcionamiento durante mil millones de

años. Los protones no son un recurso escaso.

Los protones no se inyectan en el LHC de manera continua, sino

que este «se rellena» aproximadamente cada diez horas (o cuando el

haz se degrada por cualquier motivo). Los protones se trasladan con

el máximo cuidado a través de una serie de aceleradores

preliminares, antes de llegar al anillo principal. No hay margen para

el error. Los protones que componen los dos haces en circulación no

se distribuyen de manera uniforme: se agrupan en miles de

«paquetes», cada uno de los cuales contiene más de 100.000

millones de protones. Estos cúmulos tienen una longitud de unos

dos centímetros y medio, la distancia entre ellos es de 7 metros y

tienen forma de aguja muy fina. Mientras recorre el anillo, el grosor

del haz es aproximadamente de 1 milímetro, y se concentra aún

más, hasta las 25 mieras de diámetro, cuando el haz entra en uno

de los detectores donde se producen las colisiones. Todos los

protones tienen la misma carga eléctrica positiva, por lo que tienden



naturalmente a separarse los unos de los otros, y conseguir que el

haz se mantenga unido no es tarea fácil.

Aparte de la energía de las partículas que colisionan, la otra

magnitud importante en un acelerador es la luminosidad, que

permite medir cuántas partículas intervienen. El lector podría

pensar que bastaría con contar el número de partículas que dan

vueltas al anillo, pero lo que importa en realidad es el número de

colisiones, y un elevado número de partículas solo da lugar a un

elevado número de colisiones si el haz está altamente concentrado.

A lo largo de 2010, la prioridad era poner la máquina a prueba y

comprobar que todo funcionaba correctamente, por lo que la

luminosidad no era muy elevada. En 2011, casi todos los

problemillas se habían solucionado, y el número de colisiones se

multiplicó casi por cien respecto al año anterior. En 2012, los éxitos

continuaron, y durante la primera mitad del año generaron más

colisiones que en todo 2011. Esa enorme cantidad de datos es la

que permitió que el descubrimiento del Higgs se produjese antes de

lo esperado.

§. Velocidad y energía

Los protones del LHC tienen mucha energía porque se mueven muy

de prisa, casi a la velocidad de la luz. Cualquier objeto con masa, ya

sea una persona, un coche o un protón, posee cierta cantidad de

energía cuando está en reposo, según la fórmula de Einstein, E =

mc2, y una energía «cinética» adicional que depende de la velocidad a

la que se mueve. En nuestro mundo cotidiano, la energía de



movimiento es muchísimo menor que la que el objeto posee incluso

cuando está en reposo, sencillamente porque las velocidades

habituales son muchísimo más bajas que la de la luz. El avión más

rápido del mundo es una aeronave experimental de la NASA llamada

X-43, que alcanza velocidades de más de 11.000 kilómetros por

hora. A esa velocidad, la energía del avión debida a su movimiento

no supone más que una diez mil millonésima parte de su energía en

reposo.

Los protones del LHC se mueven bastante más rápido que el X-43.

Durante su primer período de actividad, entre 2009 y 2011, lo

hacían a un 99,999996 por ciento de la velocidad de la luz, es decir,

a 1.079.252.806 kilómetros por hora. A tales velocidades, la energía

debida al movimiento es mucho mayor que la energía en reposo.

Esta, en el caso de un protón, es prácticamente de un 1 GeV.

Durante ese primer período, cada protón tenía una energía de 3.500

GeV, o 3,5 TeV, de manera que, cuando se producía una colisión

entre dos de ellos, la energía total era de 7 TeV. En 2012, la energía

total de los protones era de 8 TeV, y el objetivo final es alcanzar los

14 TeV. El Tevatrón del Fermilab, a su vez, nunca superó los 2 TeV

de energía total.

A velocidades tan próximas a la de la luz, la teoría de la relatividad

cobra una importancia fundamental. La relatividad nos enseña que,

a velocidades altas, el espacio y el tiempo cambian: el tiempo se

ralentiza, comparado con el que marcan los relojes en reposo, y las

longitudes se contraen a lo largo de la dirección del movimiento.

Como consecuencia, a uno de esos protones de alta energía los



veintisiete kilómetros alrededor del anillo le parecerían mucho más

cortos (si los protones se fijaran en esas cosas). Para un protón a 4

TeV, una vuelta al anillo equivaldría a una distancia de algo más de

6 metros. Cuando alcancen los 7 TeV, dicha distancia no llegará a

los 4 metros.

¿Cuánta energía es un TeV? No tanta, más o menos la que tiene un

mosquito cuando vuela, algo que ni siquiera notaría si chocase

contra usted. Lo asombroso no es que 4 TeV (o los que sean) sea

tanta energía, sino que toda ella está contenida en un solo protón. Y

recuerde que hay 500 billones de protones moviéndose a toda

velocidad en el interior del LHC. Si pensamos en el haz en conjunto,

la energía sí que es importante, aproximadamente la misma con la

que nos embestiría una locomotora. No tendría ninguna gracia

interponerse en su camino.

¿O sí? Aunque los protones del LHC poseen una considerable

capacidad de impacto, están colimados en un haz muy fino. Es

posible que la mayoría de ellos simplemente le atravesasen, ¿no?

Sí y no. Nadie ha expuesto nunca ninguna parte de su cuerpo a un

haz en el LHC, ni tendría cómo hacerlo: está firmemente sellado en

una tubería al vacío, fuera del alcance de los humanos

entrometidos. Pero, en 1978, un desdichado científico soviético

llamado Anatoli Bugorski se las apañó para recibir el impacto en

pleno rostro de un haz de partículas de alta energía. (Las normas de

seguridad del Sincrotrón U-70 de Protvino, en Rusia, eran algo más

laxas que las del CERN.) Dicho haz estaba compuesto por protones

de 76 GeV, energía mucho menor que la que tienen los protones del



LHC, pero que no deja de ser considerable. Bugorski no murió al

instante; de hecho, aún sigue vivo. Un tiempo después, confesó

haber visto un destello de luz «más brillante que mil soles juntos»,

pero no haber sentido dolor alguno. La radiación le produjo una

importante cicatriz, le provocó pérdida de audición en el oído

izquierdo y la parálisis de la mitad izquierda de la cara. Aún hoy, de

vez en cuando sigue sufriendo ataques. Pero sobrevivió sin daños

mentales dignos de mención, terminó su doctorado y siguió

trabajando en el complejo del acelerador durante años. No obstante,

los expertos recomiendan evitar la exposición a los haces de

protones de alta energía.

La razón por la que la cabeza de Bugorski no saltó en pedazos es

que muchos de los protones sencillamente la atravesaron. Pero en el

LHC a menudo es necesario «deshacerse» de la carga, lo que implica

tener que poner en algún sitio toda la energía del haz. (Si

pudiésemos ralentizar los protones, la energía se disiparía sin

ningún peligro, pero eso no resulta práctico.) Otra manera de

hacerse una idea de la magnitud de la energía total de los protones

es pensar que equivale a unos 80 kilos de TNT. Y todo eso debe

acabar en algún lugar, aproximadamente cada diez horas, al final de

cada relleno.

Los experimentos han demostrado que el pleno impacto del haz del

LHC bastaría para fundir una tonelada de cobre. Desde luego, no

sería nada bueno que el haz se desviase repentinamente y sin

control hacia el equipo experimental cuidadosamente calibrado. Lo

que se hace es alejar el haz ya descartado de su recorrido normal



mediante unos imanes especiales, tras lo cual recorre varios cientos

de metros antes de terminar incidiendo sobre un bloque de especial

grafito «de descarga». Este material es particularmente efectivo a la

hora de difundir la energía sin fundirse, a pesar de que alcanza

temperaturas superiores a los 750 grados centígrados. En total, son

unas diez toneladas de grafito, cubiertas por un revestimiento de mil

toneladas de acero y hormigón. Se deja enfriar durante unas

cuantas horas, y ya está preparado para recibir el nuevo haz

descartado.

§. Poderosos imanes

Nos imaginamos el LHC como un anillo circular gigante de

veintisiete kilómetros de longitud, pero lo cierto es que se asemeja

más a un octágono curvo, en el que el anillo se divide en ociantes.

Hay ocho arcos, cada uno de ellos de casi dos kilómetros y medio de

longitud, conectados por secciones rectas de aproximadamente 500

metros de extensión. Si visitásemos uno de estos arcos del túnel del

LHC, lo que nos encontraríamos sería una sucesión de grandes

tuberías azules que se extienden en ambas direcciones: son los

«dipolos magnéticos» que guían a los protones en su recorrido por el

tubo que contiene el haz. En cada uno de los arcos hay 154 de estas

tuberías, cada una de ellas de quince metros de longitud y más de

treinta toneladas de peso. El interior de la tubería lo ocupa en su

mayor parte un imán superconductor ultrafrío y en pleno centro hay

dos finos tubos para los haces, por los que se desplazan los

protones (unos en el sentido de las agujas del reloj y otros en



sentido contrario).

Si una partícula cargada, como un protón, se encuentra

estacionaria en un campo magnético, no experimenta ninguna

fuerza, y puede seguir felizmente en reposo. Pero cuando una

partícula cargada en movimiento atraviesa un campo magnético,

sufre una desviación respecto a la trayectoria recta. (Las partículas

neutras lo atravesarían sin verse afectadas.) Recuerde que el haz del

LHC tiene la energía de un tren en movimiento: son necesarios

imanes tan extraordinariamente potentes simplemente porque no es

fácil conseguir que los protones tracen un giro pronunciado.

Los imanes del LHC tienen la máxima potencia que somos capaces

de alcanzar para hacer que los protones circulen por un túnel de

dimensiones fijas con la máxima energía posible. La Tierra posee un

campo magnético, que permite que una brújula pueda distinguir el

norte del sur. El campo en el interior de uno de los dipolos del LHC

es aproximadamente 100.000 veces más intenso que el terrestre.

Tanto que, de hecho, los materiales ordinarios no son capaces de

soportarlo y es necesario emplear superconductores. Los imanes

contienen casi ocho mil kilómetros de cable enrollado, fabricado con

un compuesto superconductor de niobio y titanio, enfriado a

temperaturas ultrabajas con 120 toneladas de helio líquido. El

interior del LHC está, de hecho, más frío que el espacio exterior: la

temperatura de los imanes es inferior a la del fondo de radiación

cósmica residual proveniente del big bang.

La temperatura no es el único criterio por el que el LHC sale

ganando al compararlo con el espacio exterior. En el interior de los



tubos de los haces, a través de los cuales se desplazan los protones,

el vacío debe ser lo más alto posible. Si estuviesen llenos de aire, los

protones chocarían continuamente con las moléculas de aire, lo que

acabaría con el haz. Por este motivo, los tubos se mantienen en el

vacío más estricto, tanto que la presión en su interior es

aproximadamente igual a la que existe sobre la superficie de la

Luna.

Antes de que la máquina se pusiese en funcionamiento por primera

vez, al equipo del LHC le preocupaba no saber si el vacío que habían

alcanzado sería suficiente. Cuando se puso en marcha el Tevatrón

del Fermilab, en 1983, los primeros intentos de hacer circular

protones enseguida fracasaron. Más tarde se descubrió que la causa

había sido un pequeño pedazo de tela que estaba taponando el tubo.

Pero ¿hay alguna manera fácil de revisar veintisiete kilómetros de

acelerador? Los tubos del haz tienen poco más de dos centímetros

de diámetro, lo que dio lugar a una idea ingeniosa: los técnicos

fabricaron con un policarbonato resistente a los golpes una especie

de «pelota de ping-pong», introdujeron en su interior un

radiotransmisor y la lanzaron rodando por el tubo. Si la bola se

quedaba atascada, los técnicos podían rastrear la transmisión y

determinar dónde se había detenido. Era una gran idea, y seguro

que más de uno se llevó una decepción cuando las pelotas

completaron su recorrido sin problemas, confirmando así el

satisfactorio estado de salud de los tubos de los haces.

Los imanes del LHC son las partes más grandes y voluminosas de

toda la maquinaria, y representan un extraordinario prodigio de



innovación tecnológica y de colaboración internacional. Tal nivel de

precisión tiene un precio. Es difícil estimar con exactitud el coste del

LHC, porque buena parte del gasto se dedica al mantenimiento del

laboratorio en general, pero no es descabellado afirmar que el

presupuesto total ronda los 9.000 millones de dólares. En palabras

del físico Gian Giudice: «Si se expresa en euros por kilogramo, el

coste de los dipolos del LHC —la parte más cara del acelerador— es

similar al del chocolate suizo. Si estuviese hecho de chocolate, el

LHC habría costado más o menos lo mismo».

Puede parecer que el chocolate no es tan caro. Al fin y al cabo, nos

lo comemos. Pero normalmente no son veintisiete kilómetros del de

mejor calidad. Al final todo suma.

§. Cediendo el relevo

Lyn Evans dejó el CERN oficialmente en 2010, una vez que la

máquina se puso en funcionamiento con éxito. Llegó al laboratorio

en 1969, lo que supone más de cuatro décadas de experiencia,

trabajando para diez directores generales distintos. En 1981, Evans,

Cario Rubbia y Sergio Cittolin (un físico italiano aficionado a ilustrar

los cuadernos de laboratorio con dibujos del estilo de los de

Leonardo da Vinci) eran las únicas tres personas presentes en la

sala de control a las 4.15 de la madrugada, cuando pusieron en

marcha el Supersincrotrón de Protones tras las mejoras y fueron

testigos de la primera colisión protón- antiprotón en el interior de

un acelerador de partículas.

Un escenario bien diferente del que tuvo lugar el 10 de septiembre



de 2008, cuando la inauguración del LHC se convirtió en un

acontecimiento internacional presenciado por cientos de personas

en directo y por otras miles desde todos los rincones del mundo a

través de internet. Ese día, Evans ofició de maestro de ceremonias

en una sala de control repleta de periodistas, científicos famosos y

autoridades. Para mantener el suspense, no se limitaron a hacer

que los protones recorrieran de una vez todo el anillo, sino que

fueron abriendo los ocho sectores uno por uno. Después de que los

siete primeros se hubiesen transitado sin problemas, Evans inició la

cuenta atrás mientras hacían que los protones estuviesen en

disposición de completar el círculo. En el momento previsto, dos

puntos parpadearon en una gris pantalla de ordenador, lo que

indicó que el haz había logrado partir y llegar al mismo punto. La

sala estalló en aplausos y dio comienzo una nueva era de la física.

Los físicos no suelen jubilarse en el sentido habitual del término, y

para Evans la nueva fase de su vida supondría unirse al

experimento CMS en el LHC y contribuir a la planificación de la

siguiente generación de aceleradores. Después de los seminarios en

los que se anunció el descubrimiento del Higgs, hizo una pausa

para reflexionar sobre lo que había sentido:

«El otro día fui a la fiesta de verano del CMS y había unas

quinientas personas. Cuando vi a todos esos jóvenes, de pronto

fui consciente del peso que había llevado a cuestas. Quiero decir

que ¿cuánta gente depende de que la máquina funcione

correctamente?».



Ahora que la máquina funciona sin sobresaltos, el CERN confía en

que lo siga haciendo durante décadas. Tardó más de un año en

recuperarse del revés de septiembre de 2008, pero desde entonces

su rendimiento ha sido espléndido. El hecho de que funcionase a 7

TeV a lo largo de 2010 y 2011, y a 8 TeV en 2012, hizo posible el

descubrimiento del bosón de Higgs, o de algo que se le parece

mucho. Aun así, el objetivo final es alcanzar los 14 TeV, y para

conseguirlo será necesario su cierre durante dos años para mejorar

y probar los equipos. En un principio, estaba previsto que dicho

cierre se produjese a finales de 2012, pero tras el descubrimiento el

consejo del CERN decidió que siguiese funcionando a 8 TeV durante

unos cuantos meses más. Es una reacción natural: cuando te

regalan un juguete, lo que quieres es empezar a jugar con él cuanto

antes.



Capítulo 6

Hacia la sabiduría a base de choques

Donde aprenderemos cómo descubrir nuevas partículas

observando lo que sucede cuando otras partículas chocan

entre sí a velocidades enormes.

De niño me fascinaba todo tipo de ciencia, pero solo dos asuntos me

llamaban realmente la atención: la física teórica y los dinosaurios.

(A los doce años, no conocía la palabra «paleontología».) Coqueteé

con otras ciencias, pero esas relaciones nunca llegaron demasiado

lejos. Me lo pasaba bien con mi juego de química, sobre todo porque

podía quemar cosas, pero nunca me emocionó demasiado la idea de

crear nuevos compuestos en condiciones cuidadosamente

controladas.

¡Pero los dinosaurios...! Eso sí que fue un verdadero romance. Mi

abuelo nos solía llevar a mi hermano y a mí al Museo Estatal de

New Jersey, en Trenton, donde pasábamos de largo los aburridos

instrumentos y las exposiciones de historia para contemplar

boquiabiertos los esqueletos que se erguían amenazantes sobre

nosotros. Nunca me planteé seriamente la posibilidad hacer carrera

en paleontología, pero, aunque en público no lo reconozcan, todos

los científicos a los que conozco están de acuerdo conmigo en que

los dinosaurios son lo más de lo más.

Por eso me hizo tanta ilusión, siendo ya adulto y profesor en la

Universidad de Chicago, tener la oportunidad de participar en una

expedición de búsqueda de dinosaurios. La mayoría de las



excursiones se las apañan perfectamente sin físicos, pero esta

estaba organizada por Project Exploration, una organización sin

ánimo de lucro dedicada a hacer llegar la ciencia a niños y personas

pertenecientes a minorías con muy baja representación. Era un

acontecimiento especial para amigos de la organización y a mí me

llevaron para ofrecer otro tipo de divulgación científica. A mí todo

me parecía bien, como si me hubiesen dicho que me llevaban para

fregar platos, lo único que me importaba era que iba a excavar

huesos de dinosaurios.

Y bien que excavamos, en una región de la formación geológica

Morrison, cerca de Shell, en Wyoming (con una población

aproximada de 50 personas). La formación Morrison está repleta de

fósiles del Jurásico, y nos pasábamos las calurosas horas diurnas

desenterrando alegremente especímenes de Camarasaurus,

Triceratops y Stegosaurus. Puede que «excavar» dé una idea

exagerada de los logros del equipo, compuesto en su gran mayoría

por aficionados: sobre todo hicimos progresos en sitios que después

se cubrirían para que otra expedición los terminase.

Aprendí mucho de esa experiencia. Sobre todo que, como trabajo, la

física teórica es mucho más cómoda que la paleontología. No

obstante, también encontré respuesta a una pregunta que llevaba

años asaltándome: ¿cómo se diferencia un trozo de hueso fosilizado

de la matriz de roca que lo rodea? Durante millones de años, lo que

empezó siendo un esqueleto va absorbiendo minerales de la roca

próxima a él hasta que llega un momento en que es más roca que

hueso. ¿Cómo se distingue uno de la otra?



La respuesta es: con mucho cuidado. Hay trucos, por supuesto, que

un paleontólogo experto habrá ido refinando a lo largo de su

carrera: sutiles gradaciones de color y textura que escapan a los

sentidos de los no iniciados. Si llevamos a un grupo de aficionados a

un lugar donde hay fósiles de dinosaurio, con mucha diferencia la

pregunta más repetida será: «¿Esto es un hueso?». Pero hay una

respuesta correcta, y los expertos (casi) siempre serán capaces de

proporcionárnosla.

Aunque la experiencia de desenterrar dinosaurios no tiene

absolutamente nada que ver con el día a día de un físico teórico, las

semejanzas con la física de partículas experimental saltan a la vista.

De manera informal, decimos que «hemos visto un bosón de Higgs»

en el Gran Colisionador de Hadrones, pero lo cierto es que no es tan

sencillo. Nunca vemos bosones de Higgs, ni esperamos hacerlo,

igual que no esperamos ver dinosaurios recorriendo las calles. La

vida media del Higgs es muy breve, apenas una diez mil millonésima

de billonésima de segundo, demasiado corta como para poder

captarlo directamente, ni siquiera con los prodigios tecnológicos que

son los experimentos del LHC. (Un quark bottom, cuya vida media

es de una billonésima de segundo, está en el límite de lo discernible;

la vida media del bosón de Higgs es una diez mil millonésima parte

de la del quark.)

Lo que esperamos encontrar son evidencias del bosón de Higgs, en

forma de otras partículas que se crean cuando este se desintegra.

Fósiles, si lo prefiere.

En el capítulo anterior he hablado sobre el acelerador del LHC, que



hace que cientos de miles de millones de protones den vueltas

alrededor de un túnel subterráneo en las inmediaciones de Ginebra.

En este capítulo veremos los experimentos: los enormes detectores

situados en determinadas ubicaciones a lo largo del anillo, donde se

producen las colisiones de protones en ráfagas de interacciones. En

los datos de un determinado evento es probable que nos

encontremos dos chorros de partículas sometidas a la interacción

nuclear fuerte, así como un par muón-antimuón de alta energía.

¿Proviene todo eso de la desintegración de un Higgs, o de alguna

otra cosa? La labor de identificar estos fósiles correctamente es una

combinación de ciencia, tecnología y magia negra que constituye el

núcleo de la búsqueda del Higgs.

§. Identificar partículas

La física de partículas es una historia de detectives. Cuando llegan a

la escena de un crimen, la mayoría de los detectives no tienen la

suerte de encontrar una nítida grabación del culpable con las

manos en la masa, o el inapelable testimonio de algún testigo ocular

o una confesión firmada. Lo más probable es que descubra algunas

pistas confusas: un fragmento de huella dactilar por aquí, una

minúscula muestra de ADN por allá. Lo difícil de su trabajo consiste

en encajar todas esas pistas para reconstruir la historia del crimen.

De la misma manera, cuando los físicos experimentales de

partículas analizan los resultados de un colisionador, no esperan

que junto a una partícula aparezca un cartelito que diga: «¡Soy el

bosón de Higgs!». El Higgs se desintegrará rápidamente en otras



partículas, así que debemos tener una buena idea de qué partículas

podemos esperar encontrar (de eso se encargan los teóricos).

Entonces, hacemos chocar los protones entre sí y observamos cuál

es el resultado. La mayor parte del volumen en el interior de un

detector de partículas la ocupa el material en el que las partículas

dejan trazas reveladoras al atravesarlo, el equivalente en la física de

partículas de un rastro de huellas embarradas en la escena del

crimen. Evidentemente, no todas las huellas tienen barro: partículas

como los neutrinos, que no interactúan ni a través del

electromagnetismo ni mediante la fuerza nuclear fuerte, dejan muy

poco rastro, y tenemos que aguzar el ingenio para detectarlos.

Por desgracia, las trazas que sí somos capaces de observar tampoco

vienen con etiquetas como: «Soy un muón y me muevo al 0,958 por

ciento de la velocidad de la luz». Tenemos que deducir qué

partículas surgieron de la colisión, y lo que eso implica para los

procesos que hicieron que esta tuviese lugar. Necesitamos saber si

este muón se produjo en la desintegración del Higgs, de un bosón Z,

o de algún otro de entre el grupo de sospechosos. Y las partículas no

van a confesar.

La buena noticia es que el número total de partículas del Modelo

Estándar es relativamente manejable, por lo que los sospechosos no

son tantos. Somos como un sheriff de pueblo más que como un

detective en Manhattan. Tenemos seis quarks, seis leptones y un

puñado de bosones: fotones, gluones, bosones W, Z y el propio

Higgs. (Los gravitones no se producen prácticamente nunca, ya que

la gravedad es extremadamente débil.) Si somos capaces de



determinar la masa, la carga y si la partícula es sensible o no a la

interacción nuclear fuerte, básicamente ya la habremos identificado

unívocamente. Así que en eso consiste la tarea del experimentalista:

seguir el rastro, con la mayor precisión posible, a las partículas que

surgen tras una colisión y determinar sus masas, cargas e

interacciones. Esto nos permite reproducir el proceso fundamental

que genera toda la excitación.

Es bastante fácil dilucidar si una partícula siente las interacciones

fuertes, por la feliz razón de que dichas interacciones son

verdaderamente fuertes. Las trazas que los quarks y los gluones

dejan en un detector son completamente distintas de las de los

leptones y los fotones. Enseguida se ven confinados en el interior de

diversos tipos de hadrones, ya sean combinaciones de tres quarks

(llamadas «bariones») o pares de un quark y un antiquark (conocidos

como «mesones»). Estos hadrones tienen tendencia a chocar con los

núcleos atómicos, lo que permite distinguirlos fácilmente. De hecho,

cuando se crea un solo quark o gluón de alta energía, las

interacciones fuertes normalmente hacen que se fragmente en todo

un chorro de hadrones, que se conoce como «jet». Lo cual facilita

mucho la labor de dilucidar si se ha producido un quark o un gluón,

pero al mismo tiempo complica la de medir sus propiedades de

manera precisa.

Del mismo modo, resulta bastante sencillo determinar la carga

eléctrica de una partícula, gracias a la magia de los campos

magnéticos. De la misma manera que el túnel del LHC está repleto

de potentes imanes que dirigen los protones a lo largo del tubo



circular por el que circulan los haces, los detectores del LHC están

inundados por campos magnéticos que impulsan a las diversas

partículas en distintas direcciones, lo que nos ayuda a

identificarlas. Si una partícula en movimiento es desviada en una

dirección, tiene carga positiva; si se desvía en la dirección opuesta,

su carga es negativa. Y si continúa en línea recta, significa que es

neutra.

§. Experimentos a lo largo del anillo

Cuando Cari Anderson descubrió el positrón, allá por los años

treinta, su cámara de niebla medía algo menos de metro y medio de

extremo a extremo, y pesaba dos toneladas. Los experimentos del

LHC son un poquito más grandes. Los dos más importantes, los

mastodontes multiusos que se dedican a buscar el Higgs, son el

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS: Un Aparato Toroidal del LHC) y

el CMS (Compact Muon Solenoid: Solenoide Compacto de Muones).

Están situados en extremos opuestos del anillo: el ATLAS se

encuentra junto a la sede principal del CERN, mientras que el CMS

está al otro lado de la frontera, en Francia. El término «compacto» es

relativo, desde luego: el CMS mide algo más de 20 metros y pesa

unas 13.800 toneladas. El ATLAS es más voluminoso, pero también

más ligero: 43 metros de largo y 7.700 toneladas de peso. Esas son

las magnitudes que hay que manejar para poder penetrar hasta

donde esperamos que esté el Higgs.

El LHC alberga otros cinco experimentos: dos de tamaño medio, AL

ICE y LHCb, y tres pequeños, TOTEM, LHCf y MoEDAL. LHCb está



centrado en el estudio de la desintegración de los quarks bottom,

que son útiles para realizar mediciones de precisión. ALICE (A Large

Ion Collider Experiment: Un Gran Experimento Colisionador de

Iones) se construyó para estudiar las colisiones de núcleos pesados,

en lugar de protones, y para recrear el plasma de quarks y gluones

que se extendía por todo el universo en los momentos posteriores al

big bang. Esa es la razón por la que se llama Gran Colisionador de

«Hadrones», y no Gran Colisionador de «Protones». Durante un mes

al año, el LHC acelera y genera colisiones con iones de plomo, en

lugar de protones. TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross-

section Measurement: Medición de la Sección Eficaz Total por

Dispersión Elástica y Difractiva), situado cerca del CMS, estudia la

estructura interna de los protones y toma medidas de precisión de

la probabilidad de que los protones interactúen entre sí. LHCf (la «f»

significa forward, «adelante») utiliza las salpicaduras de las

colisiones para estudiar las condiciones en las que los rayos

cósmicos se propagan a través de la atmósfera. Está ubicado cerca

del ATLAS y es mucho más pequeño que el resto de los

experimentos: dos detectores, cada uno de menos un metro de

diámetro. MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC)

lleva a cabo búsquedas muy especializadas de partículas muy poco

habituales.

Son los dos experimentos grandes, el ATLAS y el CMS, los que han

liderado la búsqueda del bosón de Higgs. A diferencia de los más

pequeños, diseñados para fines muy específicos, estos dos

detectores se construyeron simplemente para observar las colisiones



entre protones y para tener la mayor capacidad posible de

determinar lo que resulta de ellas. Hicieron frente a los desafíos de

diseño de diversas maneras, pero sus capacidades han acabado

siendo comparables. Ni que decir tiene que disponer de dos

experimentos es infinitamente preferible a contar con uno solo:

cualquier descubrimiento espectacular y sorprendente que se

produzca en alguno de los dos detectores no se tomará en serio

hasta que el otro lo confirme.

Cuesta hacerse una idea de la enormidad de estas máquinas sin

visitarlas en persona, algo que yo pude hacer cuando aún estaban

en construcción. Una persona es tan pequeña en comparación con

el CMS o el ATLAS que uno normalmente no las ve en las fotografías

a menos que alguien se las señale. Al estar junto al detector, no solo

llama la atención su tamaño, sino también su complejidad. Todas

las piezas son importantes y, teniendo en cuenta la naturaleza

internacional de las colaboraciones, es muy probable que dos piezas

contiguas hayan sido fabricadas en laboratorios de extremos

opuestos del mundo.

Aunque puede que el CMS no sea «compacto» en el sentido de

«pequeño», sin duda lo es en el de que todos sus componentes están

densamente apilados. Se quedó con su ubicación actual, menos

deseable y a una buena tirada en coche desde los edificios del

CERN, porque los estudios geológicos revelaron que el mayor

tamaño del ATLAS hacía que solo tuviese cabida más cerca del

CERN. El CMS es un amasijo extremadamente denso de metal,

cristal y cable. Los imanes principales, los más potentes jamás



construidos dentro de su categoría, no podían medir más de siete

metros de diámetro, por un motivo bien prosaico: cualquier cosa

más grande no habría cabido en el camión que debía atravesar las

calles de Cessy, el pueblecito francés donde está situado el

experimento. (La página de Cessy en Wikipedia, escrita claramente

por físicos que trabajan en el CERN, recomienda comer en

determinada pizzería local, pero avisa de que «el servicio se lo toma

con calma, por lo que no conviene ir allí si uno tiene prisa».) Las

restricciones presupuestarias, junto con las logísticas, fueron

cruciales para su diseño y construcción: el latón de las gigantescas

tapas cilíndricas en cada extremo del detector procede del reciclaje

de proyectiles de artillería rusos. Una parte fundamental del

detector la constituyen un conjunto de 78.000 cristales de tungstato

de plomo, producidos en Rusia y en China a lo largo de un período

de diez años, pues cada cristal tarda dos días en crearse de manera

artificial.

No obstante, el que suele aparecer habitualmente en las fotografías

más difundidas del LHC es el ATLAS. La razón es sencilla: parece

una nave alienígena. La característica distintiva del detector son los

ocho imanes toroidales gigantes que le dan nombre. Puede que al

ver un imán del ATLAS no distingamos el «toro», que es la forma de

una rosquilla, porque los imanes son tuberías aproximadamente

rectangulares con las esquinas redondeadas. Pero los físicos han

aprendido de los topólogos, los matemáticos que estudian las

características generales y no las formas específicas, y para ellos un

«toro» es cualquier cilindro que se cierra sobre sí mismo. Los



toroides del ATLAS producen un intenso campo magnético en una

zona gigantesca, lo cual es útil para seguirles el rastro a los muones

de alta energía que se crean en las regiones más internas del

detector. Cuando los imanes se ponen en funcionamiento, la

cantidad total de energía que se acumula en ellos supera los mil

millones de julios, el equivalente a más de 200 kilos de TNT.

Afortunadamente, no hay forma de que esa energía se libere en una

explosión. (La energía no es peligrosa salvo que exista una manera

de liberarla. La energía en reposo de una manzana equivale

aproximadamente a un millón de toneladas de TNT, pero no supone

ningún peligro, a menos que entre en contacto con una

antimanzana.)

El inmenso tamaño físico del ATLAS y el CMS se corresponde con el

de las colaboraciones que se han organizado a su alrededor y se

encargan de gestionarlos. Los dos grupos constan aproximadamente

del mismo número de personas: más de 3.000 científicos cada uno,

provenientes de más de 170 instituciones de treinta y ocho países.

El grupo al completo nunca se reúne en un mismo lugar al mismo

tiempo, pero un flujo interminable de correos electrónicos y

videoconferencias permite a los distintos subgrupos mantenerse en

contacto permanente.

Puesto que estas dos grandes colaboraciones realizan experimentos

muy similares en busca básicamente de los mismos fenómenos,

¿quiere decir esto que compiten entre sí? ¿En serio? Es muchísimo

lo que está en juego y la competencia entre ambos experimentos es

muy intensa —si bien, en su mayor parte, respetuosa—, puesto que



ambos luchan por ser los primeros en realizar nuevos

descubrimientos. Y, con equipos de ese tamaño, también es

importante la competencia dentro de cada experimento, donde

varios físicos optan a los puestos de poder, al tiempo que debaten

los méritos relativos de las diferentes maneras de analizar los datos.

Este sistema funciona. Puede que haga que algunos científicos se

pongan de los nervios y duerman menos de lo debido, pero la

rivalidad amistosa entre, y dentro de, los grupos experimentales

produce ciencia de la máxima calidad. Todos quieren ser los

primeros, pero nadie quiere equivocarse; si cometes algún descuido,

alguien se dará cuenta enseguida. La capacidad bien equilibrada de

los equipos del CMS y el ATLAS es uno de los motivos de mayor

peso por los que deberíamos confiar en los resultados en los que

ambos concuerdan. Incluido el descubrimiento del bosón de Higgs.

§. Colisiones de protones

La tarea de estos gigantescos experimentos es entender lo que

sucede cuando chocan dos protones a energías extraordinariamente

elevadas. Un protón no es ni una partícula infinitamente pequeña ni

una masa amorfa de sustancia protónica. Está formado por muchos

componentes que interactúan fuertemente entre sí. Se suele decir

que «un protón está compuesto de tres quarks», pero esa afirmación

es algo imprecisa. Los dos quarks up y el quark down que hacen

que el protón sea un protón se denominan «quarks de valencia».

Además de estos, la mecánica cuántica predice que existe una gran

cantidad de «partículas virtuales» que se crean y se desintegran



constantemente: gluones y pares quark-antiquark. Es la energía

contenida en esas partículas virtuales la que explica por qué los

protones son mucho más pesados que los quarks de valencia que

les proporcionan su identidad. No es fácil dar una cifra precisa del

número de partículas que existen, ya que esta depende del grado de

detalle con el que observemos. (He aquí una buena muestra de

cómo funciona la mecánica cuántica.) Pero la cantidad de quarks de

valencia permanece constante. Si calculamos el número total de

quarks up en el interior de un protón en cualquier momento dado,

este debe superar siempre exactamente en dos unidades al de

quarks antiup. De manera análoga, el número total de quarks down

es siempre uno más que el de antidowns.

Básicamente, un protón es una bolsa flexible llena de quarks,

antiquarks y gluones que se mueven alrededor del tubo de los haces

del LHC casi a la velocidad de la luz. Richard Feynman les puso a

todas estas partículas el sobrenombre de «partones». Según la

relatividad, los objetos que se desplazan a una velocidad próxima a

la de la luz se contraen a lo largo de la dirección de su movimiento.

Por lo tanto, los dos protones que chocan en el interior del detector

son sendos conjuntos de partones con aspecto de tarta, que vuelan

el uno directamente contra el otro. Como consecuencia, es difícil

saber exactamente cuánta energía interviene en una colisión,

porque no sabemos entre cuáles de los partones se produjo la

interacción.

Las condiciones dentro de un experimento del LHC pueden llegar a

ser muy extremas. Cada haz contiene alrededor de 1.400 paquetes



de protones, y uno de estos paquetes moviéndose en un sentido se

cruza en el interior del detector con otro que lo hace en sentido

contrario unas 20 millones de veces por segundo. Cada paquete

agrupa más de 100.000 millones de protones, por lo que son

muchas las partículas dispuestas a interaccionar.

Representación de la aproximación de dos protones. Estos, que

normalmente tienen forma esférica, se achatan por los efectos de la

relatividad cuando se mueven a velocidades próximas a la de la luz.

En el interior de los protones están los partones, entre los que se

encuentran los quarks (círculos oscuros), los antiquarks (círculos

claros) y los gluones (garabatos). El número de quarks es tres

unidades mayor que el de antiquarks. Esos son los quarks de

valencia, mientras que el resto de los partones son partículas

virtuales.



Sin embargo, aunque el tamaño de los paquetes es muy reducido

(un par de milésimas de centímetro de diámetro), no dejan de ser

enormes en comparación con un protón: prácticamente todo el

volumen del paquete es espacio vacío.

Cada vez que dos paquetes se cruzan, con sus miles de millones de

protones, solo se producen del orden de unas veinte interacciones.

Pero veinte interacciones son muchas interacciones. Una sola

colisión de dos protones suele dar lugar a un caótico chorro de

partículas, hasta cien hadrones por cada evento. Hemos de hacer

frente al riesgo de «pileup» (cuando se producen muchos eventos

simultáneamente en el interior del detector, lo que hace que sea

difícil distinguir qué es lo que ha sucedido en cada uno de ellos).

Este es uno de los muchos motivos por los que el CMS y el ATLAS

deben llevar al límite la tecnología y la capacidad de computación

disponibles actualmente. Que se produzcan más colisiones es

positivo porque supone que habrá más datos, pero demasiadas

colisiones simultáneas harán que sea imposible dilucidar lo que está

sucediendo.

§. Partículas en la cámara

La construcción de un detector de partículas tiene su lógica, que

viene determinada por las propias partículas. ¿Qué es lo que podría

surgir de una colisión? Únicamente las diversas partículas del

Modelo Estándar que tan bien conocemos y tanto nos gustan: los

seis quarks, los seis leptones y los varios bosones que transmiten

las fuerzas. (Esperamos producir tipos de partículas completamente



nuevos, pero estos normalmente se desintegrarán en partículas del

Modelo Estándar.) Lo único que tenemos que hacer es tener en

cuenta estas posibilidades y preguntarnos cuál sería la mejor

manera de detectarlas e identificarlas correctamente. Repasemos la

lista.

§. Quarks

Podemos agrupar todos los quarks, porque nunca los observamos

por separado, ya que están confinados dentro de los hadrones. Pero

en una colisión se puede crear un par quark-antiquark, y ambas

partículas saldrían despedidas en direcciones opuestas. En ese

caso, lo que sucede es que la fuerza nuclear fuerte que rodea a los

quarks hace acto de presencia y un rocío de hadrones se condensa

alrededor de la partícula original. Esto se refleja en el detector en

forma de los jets mencionados anteriormente. Nuestro trabajo

consiste entonces en detectar los hadrones resultantes, una tarea

relativamente sencilla, y reconstruir los jets individuales, lo cual

puede resultar bastante más laborioso. Puede que sea difícil

distinguir el tipo de quark que se produce, aunque tenemos

nuestros trucos. Por ejemplo, los quarks bottom duran el tiempo

suficiente para que recorran una distancia minúscula antes de

desintegrarse. Las partículas que resulten de la desintegración

aparecen ligeramente desplazadas de la colisión principal, lo que

puede utilizarse para identificar a los quarks bottom aunque no

podamos ver sus trazas directamente.



§. Gluones

Aunque son bosones, no fermiones, los gluones son sensibles a la

interacción fuerte, por lo que se reflejan en el detector de manera

similar: como un jet de hadrones. Con la diferencia de que es

posible distinguir a un solo gluón (por ejemplo, si lo emite un

quark), mientras que los quarks recién generados siempre vienen

acompañados de sus correspondientes antiquarks. Si en un evento

se detectan tres jets, eso significa que se han producido un par

quark-antiquark y un gluón. Sau Lan Wu y sus colaboradores se

basaron en eventos como ese para determinar que los gluones son

reales.

§. Bosones W, bosones Z, leptones tau, bosones de Higgs

Agrupamos todas estas partículas, bastante distintas entre sí, por

una sencilla razón: son muy pesadas, y por tanto de vida muy corta,

y se desintegran rápidamente en otras partículas (tanto que nunca

aparecerán directamente en el detector). Debemos inferir su

existencia observando los resultados de su desintegración. De la

lista, los leptones tau son los que tienen una vida media más larga

y, si las circunstancias son las apropiadas, pueden durar lo

suficiente como para ser identificados.

§. Electrones y fotones

Son las partículas más fáciles de detectar y de medir con precisión.

No se dividen en caóticos chorros de partículas como los quarks y

los gluones, pero tienen predisposición a interactuar con las



partículas cargadas de un material, dando lugar a corrientes

eléctricas que es fácil identificar. También es sencillo distinguirlos

entre sí, porque los electrones (y los positrones, sus antipartículas)

poseen carga eléctrica, y por tanto un campo magnético hace que se

desvíen, mientras que los fotones son neutros, y lo atraviesan en

línea recta sin trabas.

§. Neutrinos y gravitones

Estas son las partículas insensibles tanto a la fuerza nuclear fuerte

como a la electromagnética. Como consecuencia, en la práctica no

hay manera de capturarlas en el detector y pasan desapercibidas.

Los gravitones solo se producen mediante la interacción gravitatoria,

tan débil que en el colisionador prácticamente no se produce ningún

gravitón, por lo que no debemos preocuparnos por ellos. (En ciertas

teorías exóticas, la gravedad, a altas energías, es efectivamente

intensa y se producen gravitones. Desde luego, los físicos no

descartan esta posibilidad.) Los neutrinos, por su parte, provienen

de las interacciones débiles, por lo que se producen

constantemente. Por suerte, son las únicas partículas del Modelo

Estándar que pueden producirse pero no detectarse, así que la regla

es sencilla: cualquier cosa que no se detecte probablemente sea un

neutrino.

Cuando chocan dos protones, ambos se desplazan a lo largo del

tubo del haz, por lo que el momento total en direcciones

perpendiculares al haz es cero. (El momento de una partícula es la

cantidad de impulso que lleva en la dirección de su movimiento.



Cuando hay varias partículas, simplemente sumamos sus distintos

momentos, que pueden dar un resultado nulo cuando las partículas

se mueven en direcciones opuestas.) El momento se conserva, de

manera que su valor total también debería ser cero tras la colisión.

Por lo tanto, podemos medir el momento de las partículas que sí

detectamos y, si el resultado no es cero, sabremos que debe haber

neutrinos moviéndose en la otra dirección para compensar. Es lo

que se conoce como método del «momento transversal

desaparecido», o simplemente de la «energía desaparecida». Puede

que no sepamos cuántos neutrinos se han llevado consigo el

momento que falta, pero con frecuencia podemos deducirlo sabiendo

cuáles han sido las otras partículas que se han producido. (Una

interacción débil que produce un muón también generará un

neutrino muónico, por ejemplo.)

§. Muones

Eso nos deja con el muón, una de las partículas más enigmáticas

desde el punto de vista de un experimento del LHC. Como los

electrones, dejan un rastro eléctrico fácilmente detectable y

describen una trayectoria curva en el interior de un campo

magnético. Pero son cientos de veces más pesados que el electrón.

Lo que significa que pueden desintegrarse en partículas más ligeras,

aunque su vida media es bastante larga: a diferencia del tau, que es

aún más pesado, por lo general los muones viven lo suficiente como

para llegar al extremo del detector. Y lo sobrepasan, porque los

muones suelen atravesar los materiales, en lugar de ser capturados.



Esa es la ventaja que tiene ser mucho más pesados que los

electrones, pero insensibles a la interacción fuerte. Un muón

atravesará pesadamente todas las capas del experimento, como un

Jeep atraviesa un campo de trigo, dejando un rastro fácilmente

reconocible a su paso.

Los muones se comportan como superrayos X, que penetran

profundamente en la materia ordinaria. Hace años, Luis Álvarez,

que recibió el premio Nobel por encontrar todos esos hadrones en el

Bevatrón, sacó buen provecho de esta propiedad. A Álvarez le

fascinaban las pirámides de Egipto, en particular las grandes

pirámides del faraón Jufu (Jéops, más conocido como Keops) y su

hijo Jafra (Jefrén, más conocido como Kefrén), que se encuentran

muy próximas entre sí en Giza, a las afueras de El Cairo. La de Jufu

es la Gran Pirámide, y originalmente era algo mayor que la de Jafra,

aunque la erosión externa ha hecho que actualmente esta última

sea algo más grande. En el interior de la pirámide de Jufu se

encuentran tres cámaras, mientras que la de Jafra parece ser

sólida, salvo por una cámara funeraria a nivel del suelo. Durante

muchos años, esta diferencia ha desconcertado a los arqueólogos,

muchos de los cuales creen que en la pirámide de Jafra hay

cámaras aún por descubrir.

Álvarez, un brillante físico aficionado a los rompecabezas, tuvo una

idea: utilizar muones procedentes del espacio en forma de rayos

cósmicos para explorar el interior de la pirámide de Jafra. El

experimento sería bastante rudimentario, pero permitiría distinguir

entre la roca sólida y una cámara vacía. El equipo de físicos egipcios



y estadounidense dirigido por Álvarez montó un detector de muones

en la única cámara que se conocía, en la parte más baja de la

pirámide, con la intención de contar el número de muones que

llegaban hasta allí desde distintas direcciones. Era el año 1967, y el

proyecto tuvo que retrasarse cuando estalló la guerra árabe-israelí

la víspera de la primera toma de datos. Pero finalmente lo pusieron

en marcha y descubrieron... nada. Parecía que la pirámide tenía la

misma capacidad de detener muones en todas las direcciones, lo

que chocaba con la esperanza de que algunas direcciones dejasen

pasar más muones porque contuviesen una cámara vacía. A día de

hoy, continúa siendo un enigma la razón por la que la pirámide del

hijo es notablemente menos compleja que la del padre.

Los experimentos del ATLAS y el CMS han acordado la estrategia de

extraer la máxima información posible de las colisiones de

partículas que observan. Ambos detectores están construidos por

capas, con cuatro piezas de equipamiento diferentes con propósitos

muy específicos: un detector interno, rodeado por un calorímetro

electromagnético, que a su vez está rodeado por un calorímetro

hadrónico, y por último un detector de muones en la parte más

externa. Todas las partículas que se produzcan en una colisión

radiarán hacia fuera desde el punto donde esta se haya producido, y

atravesarán las distintas capas hasta que sean finalmente

capturadas o logren escapar al mundo exterior.

La función del detector interno, la capa más profunda de la cebolla,

es actuar como un rastreador que proporciona información precisa

de las trayectorias de las partículas cargadas que se alejan del



punto de colisión.

Representación de un experimento de partículas de propósito general,

como el ATLAS o el CMS. La zona central contiene un detector interno

que mide las trayectorias de las partículas cargadas. A continuación,

se encuentra el calorímetro electromagnético, que captura los fotones

y los electrones. Después, el calorímetro hadrónico, que captura los

hadrones. Por último, el detector de muones, que sigue las

trayectorias de este tipo de partículas.

No es una tarea fácil: cada centímetro cuadrado del instrumento

sufre el bombardeo de decenas de millones de partículas cada

segundo. Cualquier cosa que se coloque ahí tiene que poder hacer

su trabajo al tiempo que soporta la exposición a una cantidad

inaudita de radiación. De hecho, en los primeros esbozos del diseño

del CMS esta región del detector aparecía vacía, ya que los físicos no

creían que fuesen capaces de construir un instrumento de precisión

que funcionase en esas condiciones. Afortunadamente, los rumores



de que los militares habían resuelto el problema de crear

instrumentos electrónicos de medida capaces de funcionar

adecuadamente en entornos tan hostiles como este los espolearon a

perseverar. Finalmente, lograron encontrar la manera de

incrementar la «robustez» de unos instrumentos electrónicos de alta

calidad que no estaban inicialmente diseñados para soportar tales

condiciones.

Los detectores internos son máquinas complejas con muchos

componentes, y con características ligeramente distintas entre los

dos experimentos. El del ATLAS, por ejemplo, consta de tres

instrumentos diferentes: un detector de píxeles con una resolución

extraordinariamente fina; un dispositivo de seguimiento

semiconductor construido a base de tiras de silicio; y otros

dispositivos de seguimiento de la radiación de transición, hecho de

cable de tungsteno revestido de oro, en el interior de finos tubos

llamados «pajitas». La función del detector interno es registrar las

trayectorias de las partículas con la mayor precisión posible, lo que

permite a los físicos reconstruir los puntos de interacción desde los

que surgen.

En las siguientes capas se encuentran los calorímetros, electrónico

y hadrónico. «Calorímetro» es una manera fina de decir «dispositivo

para medir energías», igual que las «calorías» sirven para cuantificar

la energía contenida en la comida que ingerimos. El calorímetro

electromagnético es capaz de capturar electrones y fotones a través

de sus interacciones con los núcleos y los electrones del propio

calorímetro. Las partículas sensibles a la interacción fuerte



normalmente atraviesan ese primer calorímetro, y son capturadas

por el calorímetro hadrónico. Este componente consta de varias

capas de metal denso, que interactúan con los hadrones,

intercaladas con cristales de centelleo, que miden la cantidad de

energía depositada. Medir las energías de las partículas es un paso

clave para identificar lo que son, y normalmente también la masa de

la partícula de cuya desintegración proceden.

En la capa final de los experimentos están los detectores de

muones. Los muones poseen momento suficiente como para

atravesar ambos calorímetros, pero sus trayectorias se pueden

medir con precisión en las enormes cámaras magnéticas que los

rodean. Esto es importante, porque los muones no se crean en las

interacciones fuertes (ya que son leptones, no quarks), y rara vez

mediante las interacciones electromagnéticas (puesto que son muy

pesados, y resulta más fácil producir electrones). Por lo tanto, los

muones por lo general proceden de las interacciones débiles, o de

algo completamente nuevo. Ambas alternativas son interesantes, y

los muones desempeñan un papel importante en la búsqueda del

Higgs.

Ahora vemos por qué el diseño de los experimentos ATLAS y CMS

tiene la forma que tiene. Los detectores internos proporcionan

información precisa sobre las trayectorias de todas las partículas

cargadas que surgen de las colisiones.

El calorímetro electromagnético captura los electrones y los fotones

y mide sus energías, el mismo destino que les espera a las

partículas sensibles a la interacción fuerte en el calorímetro



hadrónico.

Sección transversal de un experimento, en la que se puede ver el

comportamiento de distintas partículas. Las partículas neutras, como

los fotones y los hadrones neutros, son invisibles para el detector

interno, pero las partículas cargadas dejan rastros curvos. Los

fotones y los electrones son capturados por el calorímetro

electromagnético, mientras que el calorímetro hadrónico captura los

hadrones. Los muones consiguen llegar al detector externo, y los

neutrinos escapan por completo a la detección. En el experimento

CMS, la trayectoria de los muones se curva en sentido contrario en el

detector externo, porque el campo magnético apunta en dirección

opuesta.

Los muones escapan a los calorímetros, pero se estudian en detalle

en el detector de muones. De entre las partículas conocidas,

únicamente los neutrinos escapan sin ser detectados, y podemos



inferir su existencia fijándonos en el momento desaparecido. En

conjunto, una ingeniosa estrategia para extraer toda la información

posible de las colisiones de protones en el LHC.

§. Sobrecarga de información

En el LHC, los paquetes de protones entran en colisión 20 millones

de veces por segundo. Cada cruce de los paquetes da lugar a

decenas de colisiones, de manera que cada segundo tienen lugar

cientos de millones de colisiones. Cada una de las cuales es como si

estallasen fuegos artificiales dentro del detector, lo que produce

numerosas partículas, hasta más de cien cada vez. Y los

instrumentos delicadamente calibrados que se encuentran en el

interior de los experimentos recopilan información precisa sobre lo

que hace cada una de esas partículas.

Eso es muchísima información. Un solo evento de colisión en el LHC

da lugar a casi un megabyte de datos. (Los datos sin tratar suman

más de veinte megabytes, pero las ingeniosas técnicas de

compresión los reducen hasta cerca de un megabyte.) Ese es el

tamaño del texto de un libro grueso, o la memoria RAM total que

ocupa el sistema operativo del transbordador espacial. Hoy en día,

el disco duro de un ordenador doméstico decente puede almacenar

un terabyte de datos, un millón de megabytes, algo enorme (el texto

de todos los libros de la Biblioteca del Congreso ocupa solo unos

veinte terabytes). En uno de esos discos duros ordinarios se podrían

almacenar un millón de eventos del LHC, lo cual suena bastante

bien... hasta que recordamos que se producen cientos de millones



de estos eventos por segundo. Se llenarían mil discos duros cada

segundo. Algo que no es factible, ni siquiera teniendo en cuenta que

el CERN puede permitirse mejores discos duros que el que tiene

nuestro ordenador portátil.

Además del LHC, la mayor base de datos del mundo es la del World

Data Center for Climate, en Alemania, que contiene alrededor de

seis petabytes de datos sobre el clima, seis mil terabytes. Si

grabásemos todos los datos generados en el LHC, sobrepasaríamos

la capacidad de una base de datos de ese tamaño en un par de

segundos. Bienvenido al mundo del Big Data.

Claramente, el almacenamiento de los datos (y su transmisión y

análisis) en el LHC constituye un desafío mayúsculo, al que se hace

frente mediante una combinación de muchas técnicas diferentes. La

más importante de las cuales, no obstante, es también la más

básica: empezar por no grabar los datos. Merece la pena recalcarlo:

la inmensa mayoría de los datos que recopila el LHC se descartan al

instante. No cabe otra opción; no hay manera posible de grabarlo

todo.

El lector podría pensar que una estrategia más efectiva en lo que se

refiere a los costes podría pasar por ni siquiera producir tantos

datos, por ejemplo reduciendo la luminosidad de la máquina. Pero

la física de partículas no funciona así. Cada colisión es importante,

incluso aunque no grabemos sus datos en disco. La razón es que la

mecánica cuántica, responsable en última instancia de las

interacciones que dan lugar a estas partículas, solo predice la

probabilidad de ciertos resultados. No podemos elegir lo que



sucederá cuando chocan dos protones, tenemos que aceptar lo que

la naturaleza nos ofrece. La gran mayoría de las veces, lo que nos da

es bastante aburrido, al menos en el sentido de que son cosas que

ya entendemos. Para generar una pequeña cantidad de eventos

interesantes debemos producir un número enorme de eventos

corrientes y molientes, y buscar entre ellos rápidamente las perlas

interesantes.

Lo cual da lugar a un problema distinto, claro: cómo determinar si

un evento es «interesante», y cómo hacerlo con la mayor celeridad,

para poder decidir si merece la pena conservar los datos. Esa es la

función del disparador, uno de los elementos más fundamentales de

los experimentos del LHC.

El disparador es en sí mismo una combinación de hardware y

software. El disparador de primer nivel traslada los resultados de

todos los instrumentos del experimento a un almacenamiento

electrónico temporal y lleva a cabo un escaneo ultrarrápido (en

aproximadamente un microsegundo) para ver si se está produciendo

algo potencialmente interesante. Alrededor de diez mil eventos de

cada mil millones reciben el sello de aprobación y pasan el filtro. El

disparador de segundo nivel es un sofisticado programa informático

que estudia caracterizaciones más precisas de los eventos (de forma

muy similar a un médico de urgencias que realiza un rápido

diagnóstico preliminar, al que siguen pruebas más precisas) para

determinar los eventos que se grabarán para su análisis posterior.

De los muchos millones que se producen cada segundo, solo se

acaban almacenando varios cientos de eventos. Pero son los más



interesantes.

Como podrá imaginar el lector, se dedicó mucho trabajo y muchas

discusiones animadas a decidir qué eventos preservar y cuáles

desechar. Es natural la inquietud por la posibilidad de que entre

todo el material descartado haya verdaderas perlas, por lo que los

físicos del CMS y el ATLAS trabajan constantemente para refinar

sus disparadores en respuesta tanto a mejoras en los procesos

experimentales como a nuevas ideas de los teóricos.

Incluso después de haber hecho que todos los datos pasen por el

disparador, sigue habiendo cientos de eventos por segundo, cada

uno de ellos caracterizado mediante alrededor de un megabyte de

datos. Ahora tenemos que analizarlos. Con «tenemos» me refiero a

«los miles de miembros de los experimentos ATLAS y CMS, que

trabajan en instituciones de todo el mundo» (y entre los que, en

realidad, yo no me cuento). Para que los físicos analicen los datos

necesitan poder acceder a ellos, lo que supone un reto para la

transmisión de información. Por suerte, este problema ya estaba

previsto desde hace años, y los físicos y los informáticos han

trabajado duro para construir una Worldwide LHC Computing Grid

(Red de Computación de Alcance Mundial del LHC) que conecta

centros de computación en treinta y cinco países utilizando una

combinación de la internet pública y cables de fibra óptica privados.

En 2003 se estableció un nuevo récord en la transmisión terrestre

de datos cuando más de un terabyte de información recorrió los más

de ocho mil kilómetros que separan el CERN del Caltech en menos

de treinta minutos. Esto equivale a descargar una película de



duración estándar en siete segundos.

Hacen falta velocidades tan desorbitadas como esa: en 2010, los

cuatro experimentos más importantes del LHC generaron más de

trece petabytes de datos. La Grid, como se la conoce cariñosamente,

toma estos datos y los distribuye entre distintos centros de

computación de todo el mundo, que están organizados en varias

capas. La capa 0 la constituye el propio CERN. Hay once sitios en la

capa 1, cuyo papel es importante a la hora de cribar y clasificar los

datos, y 140 sitios en la capa 2, en los que se llevan a cabo tareas

de análisis específicas. De esta manera, cualquier físico en el mundo

que quiera analizar datos del LHC no necesita conectarse

directamente al CERN, lo que pondría en riesgo al conjunto de

internet.

La necesidad agudiza el ingenio. No debería sorprender a nadie

saber que los retos tan específicos en cuanto al tratamiento de datos

a los que han tenido que hacer frente los físicos han dado lugar a

soluciones también a medida. Una de esas soluciones, de hace ya

muchos años, ha cambiado nuestra forma de vida: la World Wide

Web. Los orígenes de la web se remontan a una propuesta de Tim

Berners-Lee, que por aquel entonces trabajaba en el CERN y

actualmente dirige el World Wide Web Consortium. Berners-Lee

pensó que sería útil para los físicos del laboratorio tener acceso a

distintos tipos de información, almacenada en ordenadores

distribuidos, a través de un sistema de hipertexto basado en

documentos web y en los enlaces entre ellos. La WWW es este

sistema de ficheros intervinculados, edificado sobre la red de



transmisión de datos que conocemos como internet (en cuya

creación el CERN no tuvo nada que ver). La web tal y como la

conocemos actualmente, con todos sus efectos sobre nuestras vidas,

es un producto derivado de la investigación básica en física de

partículas.

Fabiola Gianotti, la física italiana que dirige actualmente el ATLAS,

me contó que la sorpresa más agradable cuando el LHC se puso en

marcha por primera vez no fue el rendimiento de su experimento

(aunque eso fuera bastante impresionante), sino que el sistema de

transmisión de datos funcionó sin ningún problema desde el primer

momento. Y no es que el proceso hubiese carecido por completo de

dificultades. En septiembre de 2008, poco antes de que circulasen

las primeras partículas por el LHC, un grupo autodenominado

Greek Security Team se infiltró en el sistema de ordenadores del

CMS. No causaron ningún daño real, e incluso afirmaron que

habían hecho un servicio público al sustituir una página web con

una advertencia en griego que decía: «Os hemos bajado los

pantalones porque no queremos ver cómo os paseáis por ahí

desnudos tratando de ocultaros cuando llegue el pánico». El orden

se restableció enseguida, y el percance no provocó ningún retraso en

el experimento, aunque es probable que sí hiciese que se prestase

más atención a la seguridad de la red informática del CERN.

Con el LHC ya en marcha, el CMS y el ATLAS funcionando a pleno

rendimiento, y los datos compartiéndose y analizándose

rápidamente por todo el mundo, ya están en su lugar todas las

piezas necesarias para el asalto frontal a una de las cuestiones



importantes de la física de partículas. Ya tenemos una nueva

partícula en el zurrón, ahora vamos a buscar más.



Capítulo 7

Partículas en las ondas

Donde sugerimos que todo lo que existe en el universo está compuesto

por campos: campos de fuerza que atraen y repelen, y campos de

materia cuyas vibraciones son las partículas.

Insane Clown Posse, un dúo de hip hop famoso por sus letras

provocativas y su inquietante maquillaje de payasos, causó revuelo

en 2010 con su single «Miracles». A esas alturas de su carrera, no

era la primera vez que Violent J y Shaggy 2 Dope (no son sus

nombres de pila) se veían envueltos en la polémica. Habían tenido

un enfrentamiento con Eminem, habían probado su suerte (sin

éxito) como luchadores profesionales, y en una ocasión dieron un

breve concierto ante un público perplejo antes de darse cuenta de

que se habían equivocado de local. Sus canciones cuentan historias

de necrofilia y canibalismo, y en una de ellas dicen maldades de

Santa Claus. Además, Violent J había sido arrestado tras un

concierto por golpear treinta veces a una persona del público con su

micrófono.

Pero la controversia alrededor de «Miracles» era distinta. Los

muchachos no tenían intención de escandalizar, sino que lo que

querían era compartir su asombro ante el mundo que nos rodea. La

letra decía así:

Detente y mira a tu alrededor,

todo es alucinante Agua, fuego, aire y tierra

P**os imanes,



¿Cómo funcionan?

Gracias a la magia de internet, este pequeño fragmento logró una

apreciable notoriedad, en particular entre tipos interesados por la

ciencia y deseosos de explicar que en realidad tenemos bastante

claro cómo funcionan los imanes.

Me gustaría hacer una breve defensa de Insane Clown Posse. Sí,

entendemos el magnetismo desde hace ya bastante tiempo, y la

investigación científica normalmente acrecienta nuestra admiración

por los fenómenos naturales, en lugar de quitarle la magia a todo.

Sin embargo, su canción pone de relevancia un hecho importante

que no deberíamos pasar por alto tan rápidamente: los imanes son

en verdad alucinantes.

Lo asombroso de los imanes no es que se peguen al metal (hay

muchas cosas que se pegan a otras cosas, desde las salamanquesas

a los chicles). Lo asombroso es que, cuando se acerca un imán a un

pedazo de metal se puede sentir la atracción antes incluso de que se

toquen. Los imanes no son como la cinta adhesiva o el pegamento,

que deben entrar en contacto con algo para poder pegarse. Los

imanes extienden su efecto, a través del espacio aparentemente

vacío, para atraer a los objetos. Es algo bastante raro, si nos

paramos a pensarlo.

Los físicos denominan a este tipo de fenómenos «acción a distancia»

y en otra época fue motivo de perplejidad para las mentes más

preclaras del mundo, como ahora lo es para Violent J y Shaggy 2

Dope. Hoy en día nos preocupa menos, porque hemos comprendido



que, en realidad, el espacio a través del cual el imán extiende su

influencia no está «vacío» en absoluto. Lo ocupa un campo

magnético (líneas de fuerza invisibles que salen del imán) dispuesto

a tirar de cualquier cosa que se ponga en su camino. Podemos hacer

que estas líneas de fuerza nos resulten más tangibles colocando el

imán junto a pequeñas virutas de hierro, que se alinearán con el

campo magnético creando hermosas formas.

Lo importante es que el campo magnético existe tanto si tiene algo

de lo que tirar como si no. Si hay imán, hay campo magnético a su

alrededor, aunque no lo podamos ver. El campo es más intenso

cerca del imán y se debilita al alejarnos de él. De hecho, existe un

campo magnético en absolutamente todo punto del espacio, con

independencia de si hay imanes cerca o no. El campo puede ser

muy pequeño —o incluso exactamente cero—, pero en cualquier

punto existe una respuesta para la pregunta: «¿Cuál es el valor del

campo magnético aquí?». (Es «el» campo magnético, y no un campo

magnético distinto para cada imán: si aproximamos dos imanes, sus

campos simplemente se suman.)

No estoy seguro de que a Insane Clown Posse le interese saberlo,

pero la importancia de los campos va mucho más allá de los imanes.

En realidad, el mundo está hecho de campos. A veces, las

peculiaridades de la mecánica cuántica hacen que parezca que la

materia del universo está formada por partículas, pero en el fondo

está compuesta por campos. El espacio vacío no está tan vacío como

parece. En cualquier punto existe una amplia variedad de campos,

cada uno con su correspondiente valor (o, para ser más precisos,



debido a la indeterminación propia de la mecánica cuántica, con

una distribución de valores posibles que podríamos observar).

Cuando hablamos de física de partículas, normalmente no hacemos

hincapié en que en realidad estamos hablando de física de campos.

Pero así es. El objetivo de este capítulo es reorientar la intuición del

lector para que pueda apreciar que los campos cuánticos son en

última instancia los elementos constituyentes de la realidad tal y

como la entendemos actualmente.

Los campos en sí no están «compuestos» de nada: los campos son

aquello de lo que el mundo está compuesto. No conocemos un nivel

más fundamental de la realidad. (Quizá la teoría de cuerdas, pero

aún no es más que una hipótesis.) El magnetismo se comunica a

través de un campo, igual que la gravedad y las fuerzas nucleares.

Incluso lo que llamamos «materia» —partículas como los electrones

y los protones— no es en realidad más que un conjunto de campos

en vibración. La partícula que denominamos «bosón de Higgs» es

importante, pero no tanto en sí misma, sino porque el campo del

que surge, el campo de Higgs, desempeña un papel esencial en el

funcionamiento de nuestro universo. Realmente alucinante.

En los primeros capítulos del libro he ofrecido una breve

introducción a las partículas del Modelo Estándar, y he comentado

que todas surgen como vibraciones de sendos campos. También en

los capítulos anteriores, he hablado de los aceleradores y detectores

que nos permiten explorar el mundo subatómico, incluido el LHC.

En este capítulo y en el siguiente, veremos con más detalle la idea

de campo, cómo las partículas surgen de los campos, cómo la



simetría da lugar a las fuerzas, y cómo el campo de Higgs puede

romper una simetría y proporcionarnos la variedad de partículas

que observamos. Eso nos permitirá estar en condiciones de

entender cómo los físicos experimentales llevan a cabo la búsqueda

del Higgs, y lo que significa el hecho de que lo hayamos encontrado.

§. El campo gravitatorio

Hoy en día aceptamos que vivimos inmersos en campos, pero los

científicos tardaron un tiempo en empezar a pensar en la función de

la «teoría de campos». Es posible que el lector piense que la idea de

un campo gravitatorio es más evidente que la de un campo

magnético, y tendría toda la razón. Pero eso no significa que sea

totalmente obvia.

Según la anécdota más famosa sobre la gravedad, se supone que a

Isaac Newton le cayó una manzana en la cabeza, y esa fue la

inspiración que le llevó a inventar su teoría universal de la

gravitación. (Es famosa sobre todo porque el propio Newton no

paraba de contarla años más tarde, en un innecesario intento de

contribuir aún más a su leyenda como genio.) En su versión más

sencilla, la anécdota cuenta cómo la manzana ayudó a Newton a

«inventar», o quizá a «descubrir», la gravedad, aunque si lo

pensamos por un momento nos daremos cuenta de que esto no

tiene sentido. La gente sabía que la gravedad existía desde mucho

antes de Newton: no es que nadie se hubiese dado cuenta nunca de

que las manzanas caen hacia abajo, no hacia arriba.

Lo que Newton intuyó fue la relación entre la caída de una manzana



y el movimiento de los planetas. No inventó la gravedad, sino que se

dio cuenta de que era universal; la atracción gravitatoria que hace

que los planetas orbiten alrededor del Sol y que la Luna lo haga

alrededor de la Tierra era la misma fuerza que tiraba de las

manzanas hacia el suelo. Puede que piense que ni siquiera esta

intuición es material suficiente para que se forje una leyenda. A fin

de cuentas, hay algo que evita que los planetas salgan despedidos

por el espacio, y también hay algo que hace que las manzanas

caigan al suelo, así que ¿por qué no habrían de ser la misma cosa?

Si piensa así, es únicamente porque vive en un mundo pos-

newtoniano. Antes de Newton, no habríamos pensado que la

responsable de que la manzana cayese era la Tierra, sino que

hubiéramos pensado que era la propia manzana. Aristóteles, por

ejemplo, pensaba que los distintos tipos de materia poseían sus

propios estados naturales del ser. El estado natural de un cuerpo

pesado era estar en el suelo. Si lo levantamos, lo que quiere es caer.

La idea de que la caída se debe a una inclinación natural del objeto,

y no a que la Tierra tire de él, es de hecho bastante intuitiva. Hace

tiempo trabajé como consultor científico para una película de gran

presupuesto en Hollywood, en la que los diseñadores habían

pensado que estaría muy bien representar una trepidante escena de

lucha en un planeta que tuviera forma de disco, en lugar de ser

esférico. Y estaría muy bien, eso no se puede discutir. Pero

pensaban hacer que, en el momento culminante de la escena, los

malos se cayesen del borde del planeta, empujados por... ¿qué,

exactamente? Si uno piensa que caer es algo que las cosas hacen de



forma natural, y no una consecuencia de que algún objeto grande

tire de ellas debido a la gravedad, es natural cometer un error como

este. (Pero conseguimos que no lo incluyesen en la película.)

Newton propuso que cada objeto del universo ejerce una fuerza

gravitatoria sobre cualquier otro. Los objetos más pesados ejercen

una fuerza mayor, y los más cercanos se ven afectados con mayor

intensidad que los que se encuentran más alejados. Esta idea

encaja perfectamente con los datos, y supone una maravillosa

unificación de lo que ocurre en la Tierra y lo que sucede en el

firmamento.

Pero la teoría de Newton incomodó a mucha gente. ¿Cómo sabe la

Luna, por ejemplo, que la Tierra ejerce una fuerza gravitatoria sobre

ella? Al fin y al cabo, la Tierra está muy lejos, y estamos

acostumbrados a que las fuerzas se ejerzan cuando nos topamos

con las cosas, no cuando estamos en otra parte del universo. Eso es

lo desconcertante de la «acción a distancia», algo que perturbaba al

propio Newton tanto como a sus críticos. Pero llega un momento en

que, si tu teoría describe asombrosamente bien un gran número de

fenómenos, te encoges de hombros y reconoces que, al parecer, la

naturaleza sencillamente funciona así. Es muy similar a la situación

en la que nos encontramos hoy en día con respecto a la mecánica

cuántica: una teoría que cuadra con los datos, pero que creemos

que no entendemos todo lo bien que deberíamos.

No fue hasta finales del siglo XVIII cuando un físico francés, Pierre-

Simon de Laplace, demostró que para entender la gravedad

newtoniana no era necesario recurrir al esotérico concepto de acción



a distancia. L aplace se dio cuenta de que podía imaginar un campo

que se extendía por todo el espacio, que más tarde recibiría el

nombre de «campo potencial gravitatorio». La presencia de cuerpos

masivos perturba el potencial gravitatorio, de manera similar a

como la temperatura del aire en una habitación se ve afectada por

un horno caliente. La perturbación es más intensa en las

inmediaciones del objeto y se debilita al alejarse de él. La fuerza

debida a la gravedad surge porque es el propio campo el que empuja

los objetos: sienten un impulso en la dirección del campo potencial

gravitatorio, de forma muy parecida a una pelota que, situada sobre

una superficie irregular, empieza a rodar en la dirección en la que

disminuye la altura de la superficie.

Matemáticamente, la teoría de Laplace es idéntica a la de Newton.

Pero, conceptualmente, encaja mucho mejor con nuestra intuición

de que la física, como la política, es local. No es que la Tierra

extienda su influencia y atraiga a la Luna, sino que afecta al

potencial a su alrededor, que a su vez perturba el potencial algo más

allá, y así, gradualmente, hasta llegar a la Luna (y más allá).

La fuerza de la gravedad no es un misterioso efecto que recorre

instantáneamente distancias infinitas, sino que surge de la

variación progresiva de un campo infinito que permea todo el

espacio.

§. El campo electromagnético

Fue en el estudio del electromagnetismo donde se consolidó la idea

de los campos. Existe un campo eléctrico, y también un campo



magnético, pero los físicos se refieren a ambos con una sola palabra,

«electromagnetismo», para indicar que en realidad se trata de dos

manifestaciones distintas de un mismo campo fundamental. La

conexión entre ambos no siempre fue tan evidente.

Se sabía de la existencia del magnetismo desde los tiempos de la

Antigüedad, por supuesto. La dinastía Han, en China, había

desarrollado brújulas magnéticas hace más de dos mil años. Y la

electricidad se conocía, tanto en forma de las descargas que

producen las anguilas como de electricidad estática que se acumula

en el ámbar cuando este se frota con un pedazo de tela. Incluso

había ciertos indicios de que ambos fenómenos estaban

relacionados: Benjamín Franklin, cuando no estaba volando

cometas o fomentando rebeliones, demostró que era posible

magnetizar agujas con electricidad.

Pero esas ideas no encajaron verdaderamente hasta 1820, cuando

un físico danés llamado Hans Christian Örsted impartía una clase

sobre la naturaleza de la electricidad y el magnetismo. Örsted había

ideado una ingeniosa manera para demostrar la hipotética conexión

entre ambos: construir un circuito eléctrico y hacer circular la

corriente junto a una brújula para ver si eso desviaba la aguja

respecto al norte magnético. Por desgracia, un accidente le impidió

realizar el experimento antes de que llegase la hora de dar su clase,

así que decidió hacerlo directamente delante de la multitud

congregada, convencido de que tendría éxito... y así fue. Pulsó un

interruptor, la corriente eléctrica fluyó por el cable, y observó una

pequeña pero inequívoca sacudida de la aguja de la brújula. Según



el recuento del propio Örsted, el efecto fue muy pequeño y no causó

ninguna impresión en el público. Pero, a partir de ese día, la

electricidad y el magnetismo confluyeron en el electromagnetismo.

Gracias al trabajo posterior de personas como Michael Faraday y

James Clerk Maxwell, se desarrolló una sofisticada teoría del campo

electromagnético. Una vez establecida dicha teoría, fuimos capaces

de dar respuesta a preguntas sobre la dinámica del campo. Por

ejemplo, ¿qué sucede cuando se agita una carga eléctrica? (La

misma cuestión se podría plantear respecto de la gravedad, pero la

fuerza gravitatoria es tan débil que resultaría muy difícil darle una

respuesta experimental.)

Lo que sucede cuando se agita una carga es, naturalmente, que se

producen ondulaciones en el campo electromagnético. Dichas

ondulaciones se propagan en forma de ondas, de manera muy

parecida a las olas en el agua cuando cae una piedra. Estas ondas

electromagnéticas tienen un nombre muy bueno: luz. Cuando

pulsamos el interruptor de la luz, lo que sucede es que la corriente

eléctrica fluye a través del filamento de la bombilla, haciendo que

este se caliente. Ese calentamiento agita los átomos del filamento,

con sus correspondientes electrones, haciendo que ondulen de aquí

para allá, lo que a su vez produce ondas en el campo

electromagnético que, cuando llegan a nuestros ojos, percibimos en

forma de luz.

La identificación de la luz como ondas del campo electromagnético

constituye otro gran hito en la unificación de la física. Que avanzó

aún más cuando tomamos conciencia de que lo que llamamos luz



visible es tan solo un determinado rango de longitudes de onda de la

radiación, el que el ojo humano es capaz de observar. Entre las

longitudes de onda más cortas se encuentran los rayos X y la luz

ultravioleta, mientras que las más largas incluyen la luz infrarroja,

las microondas y las ondas de radio. El trabajo de Faraday y de

Maxwell se vio confirmado de manera espectacular en 1888, cuando

el físico alemán Heinrich Hertz logró por primera vez producir y

detectar ondas de radio.

Cuando utilizamos el control remoto para encender el televisor

parece que sea acción a distancia, pero en realidad no lo es.

Pulsamos el botón y una corriente eléctrica empieza a agitarse en el

interior de un circuito del mando, lo que produce una onda de radio

que se propaga mediante el campo electromagnético hasta el

televisor y es absorbida por un artilugio similar. En el mundo

moderno, hacemos que el campo electromagnético que nos rodea

realice una enorme cantidad de trabajo: iluminar nuestro entorno,

enviar señales a nuestros teléfonos móviles y ordenadores

inalámbricos, y calentar nuestra comida. En todos los casos, se

trata de cargas en movimiento que producen perturbaciones que se

propagan por el campo. De lo cual, por cierto, Hertz no predijo

absolutamente nada. A la pregunta de para qué podría utilizarse en

última instancia su aparato de detección de ondas, respondió: «No

tiene ninguna utilidad en absoluto». Cuando le insistieron para que

ofreciera alguna aplicación práctica, dijo: «Creo que nada». Algo a

tener en cuenta a la hora de valorar las posibles aplicaciones de la

investigación básica.



§. Ondas de gravedad

Solo cuando los físicos comprendieron la relación entre el

electromagnetismo y la luz comenzaron a preguntarse sobre la

posibilidad de que un fenómeno similar se produjese con la

gravedad. Podría parecer una cuestión académica, puesto que se

necesita un objeto del tamaño de un planeta o una luna para crear

un campo gravitatorio de intensidad medible. Tampoco es que

podamos agitar la Tierra una y otra vez para crear ondas. Pero para

el universo eso no es ningún problema. Nuestra galaxia está repleta

de estrellas binarias, sistemas en los que dos estrellas orbitan una

alrededor de la otra, que presumiblemente agitan el campo

gravitatorio al hacerlo. ¿Produce eso ondas que se propagan en

todas direcciones?

Curiosamente, la gravedad tal y como la describieron Newton o

Laplace no prediría ningún tipo de radiación. Cuando un planeta o

una estrella se mueve, la teoría dice que su fuerza gravitatoria

cambia inmediatamente en todo el universo. No es una onda que se

propaga, sino una transformación instantánea en todos los lugares.

Este es solo uno de los aspectos en los que la gravedad newtoniana

parece no encajar adecuadamente con el cambiante marco de la

física que se desarrolló a lo largo del siglo XIX. El

electromagnetismo, y en particular el papel central de la velocidad

de la luz, fue una inspiración fundamental para Albert Einstein y el

resto de quienes desarrollaron la teoría de la relatividad especial en

1905. Según dicha teoría, nada puede viajar más rápido que la luz,



ni siquiera hipotéticas alteraciones del campo gravitatorio. Algo no

encajaba. Tras diez años de intenso trabajo, Einstein logró construir

una teoría de la gravedad totalmente nueva, denominada

«relatividad general», que sustituyó por completo a la de Newton.

Igual que la versión de L aplace de la gravedad newtoniana, la

relatividad general de Einstein describe la gravedad en función de

un campo definido en todos los puntos del espacio. Pero, desde un

punto de vista matemático, el campo de Einstein es mucho más

complejo e imponente que el de Laplace. En lugar del potencial

gravitatorio, definido por un único número en cada punto, Einstein

utilizó algo llamado «tensor métrico», que puede entenderse como

una serie de diez números independientes en cada punto. Esta

complejidad matemática contribuye a la reputación de la relatividad

general como una teoría muy difícil de entender. Pero la idea

fundamental es sencilla, aunque profunda: la métrica describe la

curvatura del propio espacio-tiempo. Según Einstein, la gravedad es

una manifestación de la curvatura y el estiramiento del mismísimo

tejido del espacio, de la manera en que medimos distancias y

tiempos en el universo. Cuando decimos: «El campo gravitatorio es

cero», lo que estamos afirmando es que el espacio-tiempo es plano, y

que es válida la geometría euclidiana que aprendimos en la escuela.

Una feliz consecuencia de la relatividad general es que, como sucede

con el electromagnetismo, las perturbaciones en el campo describen

ondas que se propagan a la velocidad de la luz. Y las hemos

detectado, aunque no de manera directa. En 1974, Russell Hulse y

Joseph Taylor descubrieron un sistema binario en el que ambos



objetos son estrellas de neutrones que giran rápidamente en una

órbita muy cerrada. La relatividad general predice que un sistema

así debería perder energía mediante la emisión de ondas

gravitatorias, lo que haría que el período orbital disminuyese

progresivamente a medida que las estrellas se fuesen acercando

entre sí. Hulse y Taylor consiguieron medir esta variación del

período, que coincidía precisamente con la predicción de Einstein.

En 1993 recibieron el premio Nobel por su trabajo.

Eso es medir indirectamente las ondas gravitatorias, en lugar de

observar sus efectos directamente en un laboratorio aquí en la

Tierra. No es que no lo estemos intentando. Hay varios proyectos en

marcha para observar las ondas gravitatorias procedentes de

fuentes astrofísicas, normalmente mediante la reflexión de rayos

láser en espejos situados a varios kilómetros de distancia. En su

avance, una onda gravitatoria estira el espacio-tiempo, haciendo que

los espejos se alejen y después se acerquen entre sí. Esto se puede

detectar midiendo minúsculas variaciones en el número de

longitudes de onda láser que separan los dos espejos. En Estados

Unidos, el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría

Láser (LIGO, Láser Interferometer Gravitational Wave Observatory)

consta de dos instalaciones separadas, una en el estado de

Washington y otra en Luisiana. Colaboran con el observatorio

VIRGO, en Italia, y el GEO600, en Alemania. Ninguno de estos

laboratorios ha detectado aún ondas gravitatorias, pero los

científicos son muy optimistas y creen que las mejoras recientes les

permitirán hacer un descubrimiento espectacular. Si esto sucede,



será la confirmación palmaria de que la gravedad se comunica a

través de un campo dinámico y vibrante.

§. Partículas que surgen de los campos

La constatación de que la luz es una onda electromagnética entraba

en total contradicción con la teoría de la luz de Newton, según la

cual esta estaba compuesta por partículas denominadas

«corpúsculos». Ambas posturas contaban con buenos argumentos.

Por una parte, la luz proyecta una sombra definida, como cabría

esperar de un chorro de partículas, en lugar de doblar las esquinas,

como nuestra experiencia con el agua y las ondas sonoras podría

llevarnos a pensar. Por la otra, la luz puede crear patrones de

interferencia cuando atraviesa aperturas estrechas, como haría una

onda. La síntesis electromagnética parecía inclinar la balanza en

favor de las ondas.

Conceptualmente, un campo es lo opuesto de una partícula. Una

partícula tiene una posición definida en el espacio, mientras que un

campo existe en cualquier punto del mismo y está definido por su

magnitud, el valor que toma en cada punto, y quizá por otras

propiedades, como su dirección. La mecánica cuántica, que surgió

en 1900 y llegó a dominar la física del siglo XX, terminó por

compaginar ambos conceptos. En resumidas cuentas: todo está

compuesto de campos, pero cuando los observamos en detalle lo

que vemos son partículas.

Imagine que está al raso en una noche muy oscura, viendo cómo se

aleja de usted un amigo que lleva una vela. La luz se va atenuando



a medida que aumenta la distancia entre su amigo y usted. Llega un

momento en que es tan tenue que ya no la ve. Pero —podría decir—

eso es así porque nuestros ojos son unos instrumentos imperfectos.

Quizá si tuviésemos una visión perfecta podríamos ver cómo la luz

de la vela se va debilitando progresivamente pero sin llegar nunca a

desaparecer por completo.

En realidad, no sería eso lo que sucedería. Con una visión perfecta,

veríamos durante un tiempo cómo la vela se va atenuando, pero

llegaría un momento en que sucedería algo notable. En lugar de

volverse gradualmente más mortecina, la luz de la vela comenzaría a

titilar, con luminosidad fija cada vez que fuese visible. A medida que

su amigo se fuese retirando, aumentaría la proporción de los

períodos en que la vela se vería apagada. Llegaría un momento en

que la vela estaría apagada prácticamente todo el tiempo, salvo por

muy raros destellos de luz de muy baja intensidad. Esos destellos se

deberían a partículas de luz individuales: fotones. El físico David

Deutsch comenta este experimento mental en el libro La estructura

de la realidad, donde señala que la vista de las ranas es mucho

mejor que la de los humanos, tanto que son capaces de observar

fotones individuales.

La idea de los fotones se remonta a Max Planck y Albert Einstein, a

principios del siglo pasado. Planck estaba estudiando la radiación

que emiten los objetos cuando se calientan. La teoría ondulatoria de

la luz predecía que se emitía mucha más radiación en las longitudes

de onda muy cortas, y por tanto energías altas, de la que se

observaba en la práctica. Planck propuso una solución brillante y



algo desconcertante: que la luz estaba compuesta por paquetes

discretos, o cuantos, y que un cuanto de luz con una determinada

longitud de onda tendría una energía fija. Se necesita una buena

cantidad de energía para crear un solo cuanto de luz de longitud de

onda corta, por lo que la idea de Planck permitiría explicar por qué

hay mucha menos radiación de la predicha por la teoría ondulatoria

en las longitudes de onda cortas.

Esta conexión entre energía y longitud de onda es un concepto clave

en mecánica cuántica y en teoría de campos. La longitud de onda no

es más que la distancia entre dos picos sucesivos de una onda.

Cuando es corta, la onda está muy apretada. Llevarla a ese estado

requiere energía, lo que explica por qué los paquetes de luz de

Planck tienen alta energía cuando su longitud de onda es corta,

como en la luz ultravioleta o los rayos X. Las longitudes de onda

largas, como las de las onda de radio, suponen que los cuantos de

luz individuales poseen muy poca energía. Una vez que se inventó la

mecánica cuántica, esta relación pudo trasladarse también a las

partículas con masa. Una masa elevada implica una longitud de

onda corta, lo que significa que la partícula ocupa menos espacio.

Esa es la razón por la cual son los electrones, no los protones ni los

neutrones, los que definen el tamaño de un átomo: son las

partículas más ligeras de entre las presentes, por lo que poseen la

longitud de onda más larga, y por lo tanto ocupan más espacio. En

cierto sentido, es incluso el motivo por el que el LHC tiene que ser

tan enorme. Estamos tratando de observar cosas que suceden a

escalas muy reducidas, lo que significa que debemos emplear



longitudes de onda muy pequeñas, lo que a su vez implica que

necesitamos partículas de alta energía, para lo cual es necesario un

acelerador gigante que nos permita acelerarlas lo máximo posible.

Planck no dio el salto de las energías cuantizadas a las partículas de

luz en sentido literal. Pensó que su idea era una especie de truco

para obtener la solución correcta, pero no un aspecto fundamental

del funcionamiento de la realidad. Quien dio ese paso fue Einstein,

que estaba tratando de entender algo llamado «efecto fotoeléctrico».

Cuando se ilumina un metal con luz intensa, se pueden arrancar

electrones de los átomos del metal. Cabría pensar que el número de

electrones arrancados dependería de la intensidad de la luz, porque

cuanto más intenso es el haz mayor es su energía. Pero eso no es

del todo correcto. Cuando es luz de longitud de onda larga, ni

siquiera una fuente de alta intensidad es capaz de arrancar ningún

electrón, mientras que la luz de longitud de onda corta puede

hacerlo incluso cuando es muy tenue. Einstein se dio cuenta de que

el efecto fotoeléctrico se podía explicar si asumimos que toda la luz,

no solo la que emiten los cuerpos incandescentes, está compuesta

por cuantos discretos, en lugar de ser una onda continua. «Alta

intensidad pero longitud de onda larga» equivale a un bombardeo de

cuantos, pero cada uno de ellos con una energía demasiado

pequeña como para poder separar ningún electrón. «Baja intensidad

pero longitud de onda corta» implica solo unos pocos cuantos, cada

uno de los cuales posee no obstante energía suficiente para hacerlo.

Ni Planck ni Einstein emplearon el término «fotón», que fue acuñado

por Gilbert Lewis en los años veinte, y popularizado por Arthur



Compton. Fue este quien finalmente convenció al gran público de

que la luz estaba compuesta por partículas, al demostrar que los

cuantos de luz, además de energía, poseían momento.

El artículo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico fue el trabajo por

el que acabaría recibiendo el premio Nobel. En el mismo número de

la revista en la que apareció, en 1905, figuraba otro artículo suyo:

en él formulaba la teoría de la relatividad general. Así era la vida de

Einstein en 1905: publicó un artículo revolucionario que establecía

las bases de la mecánica cuántica, y por el que más adelante

obtendría el premio Nobel, y no era más que el segundo artículo más

importante de los que publicó en ese número de la revista.

§. Implicaciones cuánticas

La mecánica cuántica pilló por sorpresa a los físicos de las primeras

décadas del siglo XX. Siguiendo los pasos de Planck y Einstein,

trataron de entender el comportamiento de los fotones y los átomos,

y para cuando lo lograron habían dado un vuelco a la segura visión

del mundo de Newton. Ha habido muchas revoluciones en la física,

pero dos destacan por encima del resto: el momento en el que

Newton compuso su gran visión de la mecánica «clásica» en el siglo

XVII, y aquel en el que un grupo de brillantes científicos trabajaron

conjuntamente para sustituir la teoría de Newton por la de la

mecánica cuántica.

La mayor diferencia entre el mundo cuántico y el clásico radica en la

relación entre lo que «existe realmente» y lo que podemos observar

en la práctica. Por descontado, toda medición en el mundo real está



sujeta a la imprecisión de nuestros aparatos de medida, pero en la

mecánica clásica podemos al menos imaginarnos que, si

extremásemos el cuidado, seríamos capaces de estrechar al máximo

la diferencia entre medición y realidad. La mecánica cuántica nos

niega tal posibilidad, ni siquiera en principio. En el mundo cuántico,

lo que podemos llegar a observar es tan solo un pequeño

subconjunto de lo que existe realmente.

Para ilustrar la idea, valga esta torpe analogía. Imagine que tiene

una amiga que es muy fotogénica, pero nota algo extraño en las

fotos en las que ella aparece: siempre sale exactamente de perfil, ya

sea mostrando su lado izquierdo o el derecho, pero nunca de frente

ni de espaldas. Cuando la ve desde un lado y le hace una fotografía,

la imagen siempre sale correctamente desde ese lado. Pero cuando

la ve directamente de frente y le hace la foto, la mitad de las veces

aparece con su perfil derecho y la mitad con el izquierdo. (Las

condiciones de la analogía dictan que «hacer una fotografía» es

equivalente a «realizar una observación cuántica».) Puede hacer una

fotografía desde un cierto ángulo y después moverse muy rápido

para hacer otra formando un ángulo de noventa grados con la

primera, pero siempre la sacará de perfil. Esta es la esencia de la

mecánica cuántica: nuestra amiga puede estar orientada en

cualquier dirección, pero cuando le hacemos una foto solo vemos

uno de entre dos ángulos posibles. Esta es una buena analogía para

el «espín» de un electrón en la mecánica cuántica, una propiedad

cuya medición siempre da como resultado un valor en el sentido de

las agujas del reloj o en el sentido contrario, sea cual sea el eje que



tomemos como referencia.

El mismo principio se aplica a otras magnitudes observables. Piense

en la posición de una partícula. En mecánica clásica, existe algo

denominado «posición de la partícula», y podemos medirlo. En

mecánica cuántica no existe tal cosa. En cambio, hay algo llamado

«función de onda» de la partícula, un conjunto de números que

denotan la probabilidad de observar la partícula en cualquier lugar

determinado cuando la buscamos ahí. No existe algo como «el lugar

en el que realmente se encuentra la partícula», pero cuando

miramos siempre la encontramos en algún lugar en particular.

Cuando se aplica la mecánica cuántica a los campos, se llega a la

«teoría cuántica de campos», que es la base de la explicación

moderna de la realidad al nivel más fundamental. De acuerdo con la

teoría cuántica de campos, cuando observamos un campo con el

suficiente detalle vemos que está compuesto por partículas

individuales, aunque el campo en sí es real. (En realidad, el campo

tiene asociada una función de onda que describe la probabilidad de

que tome un determinado valor en cada punto del espacio.) Imagine

un televisor o el monitor de un ordenador, cuya imagen, desde una

cierta distancia, parece continua, pero que de cerca vemos que en

realidad está compuesta por un conjunto de píxeles diminutos. Así

pues, en un televisor cuántico, la imagen continua existe realmente,

pero cuando la miramos de cerca solo podemos verla como píxeles.

La teoría cuántica de campos es la responsable del fenómeno de las

partículas virtuales, incluidos los partones (quarks y gluones) en el

interior de los protones que tan importantes son para lo que sucede



en las colisiones del LHC. Igual que nunca podemos determinar la

posición precisa de una partícula, tampoco podemos establecer con

precisión la configuración de un campo. Si lo observamos con

suficiente detenimiento, vemos partículas que aparecen y

desaparecen en el espacio vacío, dependiendo de las condiciones

locales. Las partículas virtuales son una consecuencia directa de la

indeterminación inherente a las mediciones cuánticas.

Durante generaciones, los estudiantes de física han tenido que

enfrentarse a una temida pregunta: «¿La materia en realidad está

hecha de partículas o de ondas?». Es habitual que ni siquiera tras

todos sus años de formación lleguen a tener una buena respuesta.

Hela aquí: la materia en realidad son ondas (campos cuánticos),

pero cuando la observamos con el suficiente detalle vemos

partículas. Si nuestros ojos fuesen tan sensibles como los de las

ranas, todo esto tendría más sentido para nosotros.

§. Materia que surge de los campos

De modo que la luz es una onda, un conjunto de perturbaciones que

se propagan en el campo electromagnético que se extiende por todo

el espacio. Cuando incorporamos la mecánica cuántica, llegamos a

la teoría cuántica de campos, que dice que cuando observamos un

campo electromagnético de cerca lo vemos como partículas

individuales. La misma lógica se aplica a la gravedad: está descrita

por un campo, existen ondas gravitatorias que se mueven por el

espacio a la velocidad de la luz y si observásemos una onda con

suficiente detalle la veríamos como un conjunto de partículas sin



masa denominadas «gravitones». La gravedad es demasiado débil

como para que podamos soñar con detectar los gravitones

individuales, pero las reglas básicas de la mecánica cuántica

afirman que deben existir. De manera análoga, la fuerza nuclear

fuerte se propaga gracias a un campo, que observamos en forma de

partículas denominadas «gluones», y lo mismo sucede con la fuerza

nuclear débil y los bosones W y Z.

Todo en orden. Una vez que hemos entendido que las fuerzas surgen

de campos que se extienden por el espacio, y que la mecánica

cuántica hace que los campos se vean como partículas, ya podemos

hacernos una idea bastante buena de cómo funcionan las fuerzas

de la naturaleza. Pero ¿y la materia sobre la que dichas fuerzas

operan? Una cosa es pensar que la gravedad o el magnetismo

surgen de un campo, y otra muy distinta suponer que los propios

átomos están asociados a campos. Si hay algo que ciertamente es

una partícula, y no un campo, es uno de sus diminutos electrones

que orbitan alrededor de los átomos, ¿no es cierto?

Pues no lo es. Igual que las transmisoras de las fuerzas, las

partículas de materia también surgen al aplicar las reglas de la

mecánica cuántica a un campo que se extiende por todo el espacio.

Como ya he comentado, las partículas transmisoras son bosones,

mientras que las que componen la materia son fermiones. Se

corresponden con distintos tipos de campos, pero campos al fin y al

cabo.

Los bosones se pueden apilar unos encima de otros, mientras que

los fermiones ocupan espacio. Veámoslo desde el punto de vista de



los campos de los que estas partículas son vibraciones. La diferencia

entonces estriba en una sencilla distinción: los campos bosónicos

pueden tomar cualquier valor, mientras que cada posible frecuencia

de vibración de un campo fermiónico toma el valor «encendida» o

«apagada», de una vez por todas. Cuando el valor de un campo

bosónico como el electromagnético es realmente grande, eso se

corresponde con una cantidad enorme de partículas; y cuando el

valor es pequeño, pero distinto de cero, el número de partículas es

también pequeño. Para los campos fermiónicos no existen estas

posibilidades. O bien hay una partícula (en un estado determinado)

o bien no la hay. Esta característica fundamental es lo que se

conoce como el «principio de exclusión de Pauli»: dos fermiones no

pueden existir en el mismo estado. Para definir el «estado» de una

partícula, tenemos que saber dónde está, qué energía posee, y quizá

otras propiedades, como de qué manera está girando. El principio

de exclusión de Pauli básicamente dice que no es posible tener dos

fermiones idénticos que hagan exactamente lo mismo precisamente

en el mismo lugar.

§. Transferir vibraciones

La idea de que las partículas de materia son vibraciones discretas

de los campos fermiónicos explica características del mundo real

que de otra manera resultarían desconcertantes, como la manera en

que se pueden crear y destruir partículas. En los primeros días de la

mecánica cuántica, los físicos tenían dificultades para comprender

el fenómeno de la radiactividad. Entendían cómo se podían crear



fotones a partir de otras partículas, porque no eran más que

vibraciones del campo electromagnético, pero ¿qué pasaba en los

procesos radiactivos, como la desintegración del neutrón? Dentro de

un núcleo, apiñado en estrecha compañía con unos cuantos

protones, un neutrón pervive indefinidamente. Sin embargo, cuando

se encuentra aislado un neutrón decae en cuestión de minutos y se

transforma en un protón mediante la emisión de un electrón y un

antineutrino. La pregunta es: ¿de dónde salen el electrón y el

antineutrino? En aquel entonces se especulaba con que en realidad

habían estado todo el tiempo escondidos dentro del neutrón, pero

eso no parecía del todo correcto.

En 1934, Enrico Fermi ofreció una hermosa respuesta, en lo que

constituye la primera aplicación real de la teoría de campos a los

fermiones (lo cual fue del todo apropiado, porque es a Fermi a quien

esas partículas deben su nombre). Fermi propuso que se podía ver

cada una de esas partículas como vibraciones de

distintos campos cuánticos, y que cada campo ejercía una

minúscula influencia sobre los demás, como un piano en una

habitación puede hacer que las cuerdas de otro piano en la

habitación contigua resuenen suavemente en simpatía. No es que

las nuevas partículas se creasen de la nada por arte de magia, sino

que las vibraciones en el campo del neutrón se transfieren

gradualmente a los campos del protón, el electrón y el antineutrino.

Como es mecánica cuántica, no podemos percibir la transferencia

gradual: si observamos el neutrón, o bien lo vemos como neutrón, o

bien vemos que se ha desintegrado, con una probabilidad que



podemos calcular matemáticamente.

La teoría cuántica de campos también permite entender cómo una

partícula puede convertirse en otras con las que ni siquiera

interactúa directamente. Un clásico ejemplo, que tendrá mucha

importancia para nosotros enseguida, es el de un bosón de Higgs

que se desintegra en dos fotones. Suena sorprendente, porque

sabemos que los fotones no se acoplan directamente con el bosón de

Higgs. Los fotones se acoplan con las partículas cargadas, y el Higgs

lo hace con las partículas con masa. Y ni el Higgs está cargado ni

los fotones poseen masa.

La clave está en el concepto de las partículas virtuales, que

realmente se deberían enseñar como campos virtuales. Un bosón de

Higgs se acerca como una onda que vibra en el campo de Higgs. Esa

vibración puede provocar vibraciones en las partículas con masa

con las que el Higgs se acopla. Pero puede que dichas vibraciones

no alcancen el nivel necesario para que aparezcan en forma de

nuevas partículas; sin embargo, sí pueden a su vez dar lugar a

vibraciones en otro campo distinto, en este caso el electromagnético.

Así es como un Higgs puede convertirse en fotones: primero se

transforma en partículas virtuales cargadas y con masa, que

rápidamente se convierten a su vez en fotones. Es como si

tuviésemos dos pianos desafinados por completo el uno respecto al

otro, que normalmente no resonarían en absoluto. Pero en la

habitación hay un tercer instrumento, por ejemplo un violín, con la

suficiente flexibilidad como para resonar con ambos.

Puesto que todas las partículas surgen a partir de campos, incluso



las partículas de materia pueden aparecer y desaparecer en la

naturaleza. Pero eso no sucede de manera totalmente caótica. Suma

la carga eléctrica antes y después de que un neutrón se desintegre.

Antes es cero, porque solo tenemos un neutrón sin carga. Después

también es cero: el protón tiene carga positiva, pero el electrón tiene

precisamente la misma carga aunque de signo negativo y el

antineutrino no posee carga alguna. También parece que el número

de quarks es el mismo antes y después, ya que un único neutrón ha

dado lugar a un solo protón. Por último, el número de leptones es

exactamente uno tanto antes como después, si incorporamos el

truco de contar los leptones de antimateria como «menos un leptón»

(y los antiquarks como «menos un quark», en caso de que los

hubiese). Así, el neutrón tiene tres quarks y cero leptones, y los

productos de su desintegración suman también tres quarks (el

protón) y cero leptones (uno para el electrón y menos uno para el

antineutrino). Ese es el motivo por el que sabemos que en la

desintegración de los neutrones se produce un antineutrino, y no

un neutrino.

Estos patrones son leyes de conservación: reglas inquebrantables

que gobiernan las interacciones entre partículas permitidas en la

naturaleza. Junto con la famosa ley de conservación de la energía,

también tenemos la conservación de la carga eléctrica, del número

de quarks y del número de leptones. Algunas leyes de conservación

son más inviolables que otras: algunos físicos sospechan que los

números de quarks y leptones pueden variar en algunas ocasiones

(muy rara vez, o en condiciones extremas), pero la mayoría creen



que la energía y la carga eléctrica están absolutamente fijadas.

Teniendo estas reglas en mente, podemos entender qué partículas

se desintegran y cuáles perviven para siempre. La regla básica es

que las partículas pesadas tienden a desintegrarse en otras más

ligeras, siempre que el proceso no viole ninguna ley de conservación.

Como la carga eléctrica se conserva, y los electrones son las

partículas cargadas más ligeras, son completamente estables.

Puesto que el número de quarks se conserva, y el protón es la más

ligera de las partículas con número de quarks distinto de cero,

también es estable (hasta donde sabemos). Los neutrones no lo son,

pero pueden formar núcleos estables en compañía de protones.

El bosón de Higgs, una partícula muy pesada y sin carga eléctrica

que no es ni un quark ni un leptón, se desintegra extremadamente

rápido, tanto que nunca la observaremos directamente en un

detector de partículas. Esa es una de las razones por las que ha sido

tan difícil encontrarla, y por la que nuestro aparente éxito ha sido

tan satisfactorio.



Capítulo 8

A través de un espejo roto

Donde estudiamos a fondo el bosón de Higgs y el campo

del que surge, y demostramos cómo rompe simetrías y le

da personalidad al universo.

En una sala de seminarios vacía en el Instituto Tecnológico de

California, yo estaba sentado a un lado de la mesa y Hal Eisner,

periodista de la televisión local, estaba frente a mí. Entre ambos, un

enorme cubo de palomitas de maíz. Eisner tomó una palomita y la

agitó ante mis narices, pidiéndome —rogándome, de hecho— que la

utilizase para explicar el bosón de Higgs. «Si no hubiese bosón de

Higgs, ¿esta palomita explotaría? Lo haría, ¿verdad?»

Era el 10 de septiembre de 2008, el día en que los primeros

protones circularon por el LHC. Para la generación anterior de

aceleradores, el momento de la puesta en marcha había sido un

acto discreto, al que solo había prestado atención un pequeño grupo

de físicos interesados, y que el resto del mundo había ignorado. Pero

el LHC es especial, y la atención de personas de todo el mundo

estaba centrada en un puñado de protones que estaba cogiendo

fuerzas para recorrer por primera vez los veintisiete kilómetros del

anillo.

Por ese motivo, los periodistas no tuvieron más remedio que venir a

Caltech, y a otras universidades en otras ciudades, para informar

sobre la emoción del momento. En Ginebra era pronto por la

mañana, pero hay nueve horas de diferencia con California, así que



para nosotros aún era la última hora de la noche anterior. Las

pantallas de los ordenadores estaban preparadas para que todo el

mundo pudiese seguir el acontecimiento, aunque la sobrecarga de

los servidores del CERN hizo que enseguida se cortase la emisión

por internet.

Alguien pidió pizza y la repartió, lo que contribuyó a que los

científicos estuviesen a gusto. (Una proporción importante de los

átomos del cuerpo del físico medio tuvieron previamente la forma de

una pizza.)

Aun así, la gente del noticiero local insistía en preguntar, con toda

la razón, a qué venía tanto lío. Sabemos que es importante, pero

¿por qué, exactamente? La búsqueda del bosón de Higgs siempre

era una de las primeras respuestas que recibían. Vale, ¿y por qué es

tan importante el Higgs? Algo relacionado con la masa y con la

ruptura de simetrías. Llevémoslo al terreno de lo concreto:

¿explotaría esta palomita?

La respuesta correcta es: «Sí, si el bosón de Higgs (o, siendo más

precisos, el campo de Higgs en el cual el bosón es una onda que se

propaga) desapareciese de pronto; la materia ordinaria dejaría de

mantenerse unida y los objetos como esta palomita de maíz

explotarían de inmediato». Pero es engañoso imaginar que el Higgs

es una especie de fuerza que mantiene los átomos unidos. El Higgs

es un campo que se extiende por todo el espacio, dándoles peso a

las partículas como los electrones, permitiendo que formen átomos,

que se unen para crear moléculas. Sin el Higgs no habría átomos,

solo habría un montón de partículas moviéndose por separado a



toda velocidad a lo largo y ancho del universo.

Es un problema habitual a la hora de trasladar conceptos profundos

de la física moderna al lenguaje de la vida cotidiana. Uno quiere

decir cosas que sean absolutamente correctas (por supuesto), pero

también quiere que la gente se lleve la impresión correcta, que no es

lo mismo: de nada sirve decir cosas correctas si nadie tiene ni idea

de qué estás hablando o, aún peor, si tu explicación puede llevarles

a pensar algo erróneo.

Por suerte para nosotros, en realidad no es tan difícil entender lo

que sucede. El campo de Higgs es como el aire, o como el agua para

los peces en el mar: normalmente no nos damos cuenta de que está

ahí, pero lo tenemos a nuestro alrededor, y sin él la vida sería

imposible. Y está literalmente «a nuestro alrededor»: a diferencia de

otros campos de la naturaleza, el de Higgs tiene un valor no nulo

incluso en el espacio vacío. Al movernos por el mundo, estamos

inmersos en un campo de Higgs, y es la influencia de dicho campo

sobre nuestras partículas la causante de sus particulares

propiedades.

El bosón de Higgs no es una partícula cualquiera. Cuando el

Tevatrón del Fermilab descubrió el quark top en 1995, fue un

asombroso logro de trabajo e ingenio. Pero ya estábamos

acostumbrados a los quarks y en realidad no esperábamos

descubrir nada verdaderamente sorprendente. El Higgs es más que

eso: no hemos encontrado ninguna otra partícula parecida. Su

campo se extiende por todo el espacio, rompe simetrías y

proporciona masa e individualidad a las demás partículas del



Modelo Estándar. Si los quarks top y bottom no existiesen, nuestras

vidas no sufrirían prácticamente ninguna alteración. Si el Higgs no

existiese, el universo sería un lugar completamente diferente.

§. Una analogía merecedora de un premio

En 1993, el LHC aún no pasaba de ser una idea en una pizarra, y

no era nada seguro que acabase convirtiéndose en realidad. Un

grupo de físicos del CERN estaban presentando el gran proyecto a

William Waldegrave, ministro de Ciencia del Reino Unido por aquel

entonces. A Waldegrave le interesaba la idea, pero no conseguía

captar el argumento principal de la propuesta: el concepto del bosón

de Higgs. «No entendió ni una palabra de lo que se dijo allí»,

recuerda el físico David Miller, de la University College de Londres.

Pero Waldegrave no se dio por vencido, sino que retó a los científicos

a que le ofreciesen una explicación comprensible del papel del bosón

de Higgs que cupiese en un solo folio. A cambio, ofreció una botella

de buen champán a quien tuviese la mejor explicación. Miller y

cuatro colegas fueron capaces de pergeñar una atractiva metáfora

que consideraron digna de la atención del ministro de Ciencia. Los

cinco recibieron sus botellas de champán y, evidentemente, el Reino

Unido apoyó el LHC.

He aquí una versión actualizada de la analogía de Miller. Imagine

que Angelina Jolie y yo atravesamos una habitación vacía. (En la

explicación original, Margaret Thatcher ocupaba el lugar de la

estrella de cine, por razones políticas evidentes, pero lo único

importante es que sea alguien famoso.) Para los fines del



experimento mental, supongamos que la velocidad a la que ambos

caminamos de manera natural es la misma. En ese caso,

cruzaríamos la habitación en el mismo tiempo. Existe una simetría:

da igual que sea Angelina o yo quien está atravesando la habitación,

el tiempo transcurrido será el mismo.

Ahora imagine que hay una fiesta, y que la habitación está repleta

de juerguistas con ganas de charlar. Yo camino a través de la

habitación, puede que algo más despacio que cuando estaba vacía:

tengo que detenerme brevemente y adaptar mis pasos para sortear a

todos los asistentes, pero en general paso desapercibido. Cuando

Angelina atraviesa esa misma habitación, la historia es

completamente diferente. A medida que camina, todo el mundo hace

que se detenga al acercársele a pedirle un autógrafo, a hacerse una

foto con ella o simplemente a saludarla. En la práctica, su «masa» es

mayor: le cuesta más esfuerzo conseguir moverse y cruzar la

habitación a ella que a mí. (No estoy diciendo que Angelina Jolie

esté gorda, es solo una metáfora.) La simetría que antes teníamos se

ha roto por la presencia en la habitación de las otras personas.

Un físico diría que Angelina Jolie «interactúa con mayor intensidad»

con los asistentes a la fiesta que yo. La intensidad de la interacción

es un reflejo de su mayor fama. Nadie se plantea pararme y pedirme

un autógrafo, pero una actriz famosa sufre interacciones frecuentes

con la multitud que la rodea.

Ahora ponga un quark up en mi lugar, un quark top en el lugar de

Angelina, y el campo de Higgs en el de los asistentes a la fiesta. Si

no existe un campo de Higgs que ocupe el espacio, la simetría entre



el quark up y el top es perfecta, y se comportan de la misma

manera, igual que Angelina y yo atravesamos la habitación vacía a

la misma velocidad. Pero un quark top interacciona más

intensamente con el Higgs de lo que lo hace un quark up. Si el

campo de Higgs se «pone en funcionamiento», el top acaba con una

masa mayor, y cuesta más hacer que se mueva, como le resulta más

trabajoso a Angelina abrirse camino entre la concurrencia que a mí.

Como sucede con cualquier analogía, esta no es perfecta. Como una

multitud de asistentes a la fiesta, el campo de Higgs ocupa todo el

espacio y afecta a todo lo que se mueva a través de él. Pero, a

diferencia de la multitud de personas, o de cualquier otra cosa a la

que estemos acostumbrados, no puedo medir mi velocidad respecto

a este campo que nos rodea. Su aspecto no varía en absoluto, con

independencia de cómo me esté moviendo yo. Es necesario un

esfuerzo mayor para poner una partícula en movimiento en

presencia del campo de Higgs, pero una vez que se mueve sigue

haciéndolo, como Galileo, Newton o Einstein habrían esperado. El

campo de Higgs no te arrastra hasta hacer que te muevas a su

velocidad, porque no tiene velocidad. En realidad no existe una

analogía para esto en nuestra vida cotidiana, pero así es como

parece que funciona el mundo.

Antes de que apareciesen Einstein y la relatividad, muchos físicos

pensaban que las ondas electromagnéticas eran vibraciones de un

medio llamado «éter». Incluso trataron de detectarlo buscando

variaciones en la velocidad de la luz en función del movimiento de la

Tierra: si la luz viajaba en la misma dirección que el éter, debería



moverse más rápido; y más despacio al ir en dirección contraria a él.

Pero no encontraron ninguna prueba de ello. La genialidad de

Einstein consistió en darse cuenta de que la mera idea del éter era

innecesaria, y de que la velocidad de la luz es absolutamente

constante en el espacio vacío. No hace falta un campo de éter sobre

el que sustentar el campo electromagnético; este puede existir sin

más.

Es tentador pensar en el campo de Higgs como algo parecido al éter:

un campo invisible a través del cual se mueven ondas, compuestas

de bosones de Higgs en lugar de radiación electromagnética. No es

completamente erróneo, ya que el campo de Higgs se extiende por

todo el espacio, y los bosones de Higgs son vibraciones en su seno.

Pero es preferible resistirse a la tentación. Lo fundamental del éter

era que tenía importancia la velocidad a la que algo se movía dentro

de él (que definía un estado de reposo para el espacio vacío),

mientras que con el campo de Higgs eso no implica diferencia

alguna. La relatividad sigue siendo válida.

§. Desplazado respecto al cero

Como hemos visto en el capítulo anterior, el universo está formado

por campos. Pero la mayoría de estos campos están apagados —su

valor es cero— en el espacio vacío. Una partícula es una pequeña

vibración en un campo, un paquete de energía que se crea cuando

se desplaza el campo respecto a su valor natural. El Higgs es

distinto: no se anula ni siquiera en el espacio vacío. El campo toma

un determinado valor constante absolutamente en todos los puntos



y la partícula del bosón de Higgs es una vibración alrededor de

dicho valor, no alrededor del cero. ¿Qué hace que el Higgs sea tan

especial?

La clave está en la energía. Imagine una pelota en lo alto de una

colina. Tiene lo que los físicos llaman «energía potencial»: no hace

nada, está tranquilamente en reposo, pero tiene el potencial de

liberar energía si dejamos que baje rodando por la pendiente.

Cuando eso sucede, gana velocidad y va convirtiendo gradualmente

su energía potencial en energía de movimiento. Pero también, al

moverse, choca con las piedras, siente la resistencia del aire y hace

ruido, todo lo cual hace que se disipe energía en su recorrido.

Cuando llega a la base de la colina, su energía original se ha

convertido en sonido y calor, y la pelota puede volver al reposo.

Los campos son algo parecido. Cuando los desplazamos de su

estado de reposo preferido, hacemos que ganen energía potencial. Si

los soltamos, empiezan a vibrar y pueden acabar disipando su

energía al transferírsela a otros campos. En algún momento

volverán al estado de reposo. Lo que hace que el campo de Higgs sea

tan especial es que su estado de reposo no se encuentra en el cero:

en su estado de menor energía, el campo se queda anclado en los

246 GeV, un valor que conocemos gracias a los experimentos y que

determina la intensidad de las interacciones débiles.

Esta cifra de 246 GeV no es la de la masa del bosón de Higgs (que es

de unos 125 GeV, y que desconocíamos hasta que el LHC lo

encontró), sino el valor del campo en el espacio vacío.



Un campo normal es como un péndulo que cuelga del techo. Alcanza

su menor energía posible cuando apunta directamente hacia abajo.

Podemos elevarlo, pero para eso hace falta energía. El campo de

Higgs es como un péndulo invertido, sujeto al suelo en lugar de estar

colgado del techo. Ahora haría falta energía para colocarlo en posición

vertical. Su estado de máxima energía se alcanza cuando el péndulo

reposa sobre el suelo, ya sea a la izquierda o a la derecha.

A los físicos de partículas les gusta medirlo todo en las mismas

unidades, GeV, lo que puede llevar a confusión. La masa del bosón

de Higgs nos dice cuánta fuerza se necesita para ponerlo en

movimiento, igual que la masa de cualquier otro objeto. Dicho de

otra manera, es la cantidad de energía que debemos proporcionar a

una vibración del campo antes de que se nos muestre como una

partícula discreta. El valor del campo es algo completamente

distinto, que caracteriza cómo se comporta cuando se encuentra en

reposo absoluto.

Para hacernos una idea de por qué el campo de Higgs se estabiliza

cerca de los 246 GeV, y no del cero, pensemos en un péndulo que

cuelga del techo. Este péndulo se comporta como un campo normal:

su estado de mínima energía es aquel en el que se encuentra en



posición vertical, en la parte más baja de su arco. Podemos

proporcionarle energía si lo desplazamos de esa posición. Si después

lo soltamos, empezará a oscilar de un lado a otro, para acabar

deteniéndose una vez que haya perdido toda esa energía debido a la

resistencia del aire y al rozamiento.

Ahora imagine un péndulo invertido, cuyo pivote está fijado al suelo

en lugar de al techo. Básicamente, el mecanismo es el mismo, pero

se comporta de una manera completamente distinta. El péndulo

invertido posee energía cuando está en posición vertical, que antes

era su configuración de mínima energía. Ahora son dos las

posibilidades de menor energía: cuando el péndulo está en el suelo,

a la izquierda o a la derecha del pivote. Si lo dejamos a su suerte, el

péndulo se quedará en el suelo, ya sea a la izquierda o a la derecha.

El campo de Higgs se parece al péndulo invertido porque necesita

energía para mantenerse en el cero. Su estado de mínima energía es

uno en que el campo toma un valor fijo en todos los puntos, igual

que el péndulo en reposo se encuentra a cierta distancia del pivote,

a la izquierda o a la derecha. Ese es el motivo por el que todo el

espacio vacío está ocupado por el campo de Higgs, a través del cual

las demás partículas se mueven y adquieren masa: porque esa es la

configuración de menor energía. El valor del campo es como el

desplazamiento del péndulo respecto a la vertical. Un campo normal

tiende a estar en el cero, mientras que el de Higgs se inclina por

tomar un valor no nulo, igual que el péndulo busca acabar a la

izquierda o a la derecha del pivote.

Por supuesto, podemos preguntarnos por qué el péndulo de Higgs



de nuestra metáfora está invertido, en lugar de tomar la posición

normal. La respuesta es que nadie lo sabe. Algunas de las posibles

explicaciones se basan en una física que va mucho más allá del

Modelo Estándar, pero con nuestro grado de conocimiento actual

solo podemos decir que es un dato experimental del universo. No

tiene nada de malo que el campo de Higgs tome un valor no nulo en

el espacio vacío: era una de las posibilidades, y resulta ser la que de

hecho se da. Y tiene algo de bueno, porque si no el mundo sería

mucho más aburrido (y no solo para los físicos de partículas).

Si el campo de Higgs no interactuase con otras partículas, el hecho

de que se extienda por todo el espacio vacío no tendría ninguna

importancia (de hecho, ni siquiera lo notaríamos). El efecto más

evidente de esta interacción es que «les proporciona masa» a las

partículas elementales del Modelo Estándar. Pero este concepto es

tan sutil que merece la pena que nos detengamos un momento a

explicarlo. En el apéndice 1 puede encontrar más detalles al

respecto.

Lo primero que debemos explicar es qué es la «masa» de un objeto.

Probablemente, la mejor manera de entenderla es como «el grado de

resistencia que uno encuentra cuando empuja el objeto», que es otra

manera de decir «la cantidad de energía que se necesita para que el

objeto se mueva a una determinada velocidad». Un coche posee una

masa mucho mayor que la de una bicicleta, lo sabemos porque hace

falta mucho más trabajo para mover el coche que la bicicleta. Otra

definición podría ser «la cantidad de energía que posee un objeto

cuando está en reposo». Se llega a ella deshaciendo el camino que



conduce a la ecuación E = mc2 de Einstein. Solemos pensar que esta

ecuación nos dice cuánta energía se acumula en un objeto de una

determinada masa, pero igualmente podemos entenderla como la

definición de la masa de un objeto que no se mueve.

Es importante recalcar que la masa no está en modo alguno

directamente relacionada con la gravedad. Tenemos tendencia a

asociarlas, porque la manera más fácil de medir la masa de algo es

poniéndolo en una báscula y pesándolo, y todos sabemos que es la

gravedad la que tira del objeto hacia abajo. En el espacio vacío,

donde la gravedad es irrelevante, los objetos carecen de peso pero

no dejan de tener masa. Es más difícil poner en movimiento un

enorme cohete que un diminuto guijarro, y aún sería más difícil

hacer que se moviese la Luna o un planeta. La gravedad es otra

cosa, que afecta a todas las formas de energía, incluso a aquellas

que carecen de masa. La luz, que está compuesta por fotones sin

masa, se ve sin duda afectada por la gravedad, como queda

claramente de manifiesto en el fenómeno de las lentes gravitatorias

(la desviación de los rayos de luz) por parte de las galaxias y de la

materia oscura que existe en el universo.

Si echa un vistazo a la tabla con el zoo de partículas en el apéndice

2, verá que algunas tienen masa y otras no. Entre los bosones que

transmiten las fuerzas, los gluones, el gravitón y el fotón carecen de

masa, mientras que los bosones W y Z sí son masivos, como

también lo es el propio bosón de Higgs. Entre los fermiones,

observamos que las masas de los neutrinos figuran como

«pequeñas», mientras que las de los quarks y los leptones con carga



poseen valores específicos.

Esta caótica situación se debe en última instancia a la influencia del

campo de Higgs. La regla es sencilla: si no interactúa directamente

con el Higgs, no tiene masa; en caso de que sí lo haga, su masa es

no nula, y su valor es directamente proporcional a la intensidad de

dicha interacción. Las partículas como el electrón y los quarks up y

down interaccionan con el Higgs con una intensidad relativamente

débil, por lo que sus masas son pequeñas; el leptón tau y los quarks

top y bottom lo hacen con mayor intensidad, de manera que sus

masas son relativamente grandes. (Los neutrinos son un caso

aparte: sus masas son minúsculas, pero nuestra comprensión sobre

el origen de dichas masas aún dista de ser definitiva. En este libro

por lo general las ignoraremos y nos limitaremos a las partes del

Modelo Estándar que sí entendemos.)

Si el Higgs fuese como otros campos, y su valor en reposo en el

espacio vacío fuese cero, la intensidad de su interacción con otras

partículas simplemente mediría la probabilidad de que el bosón de

Higgs interactuase con dichas partículas si sus trayectorias se

cruzasen. En la mayoría de las ocasiones, un Higgs y un electrón

pasarían el uno junto al otro sin perturbarse, mientras que un

Higgs y un quark top se dispersarían con mucha intensidad. (Yo

puedo cruzarme con desconocidos por la calle sin que me molesten,

pero a Angelina Jolie la pararían cada dos por tres.) Pero como su

valor esperado no es cero, es como si las demás partículas

interaccionasen con él continuamente. Y son esas interacciones

persistentes e inevitables con el ambiente las que producen la masa



de la partícula. Cuando una partícula interactúa intensamente con

el Higgs, es como si llevase a cuestas una multitud de Higgs allá

donde vaya, lo que contribuye a su masa.

La fórmula para la masa de una partícula es muy sencilla: es el

valor del campo de Higgs en el espacio vacío multiplicado por la

intensidad de interacción específica de dicha partícula con el Higgs.

¿Por qué hay algunas partículas, como el quark top, que

interaccionan intensamente con el Higgs, mientras otras, como el

electrón, lo hacen de forma relativamente débil? ¿Cómo se explican

los números concretos? Nadie lo sabe. A día de hoy, son preguntas

sin respuesta. Con nuestro conocimiento actual, tratamos esas

intensidades de acoplamiento como constantes de la naturaleza que

no tenemos más remedio que medir experimentalmente. Estudiando

el propio Higgs esperamos encontrar alguna pista, y este es uno de

los motivos por los que el LHC es tan importante.

§. Un mundo sin Higgs

A pesar de todo lo anterior, es engañosamente impreciso decir: «El

Higgs es responsable de la masa», como los físicos hacemos en

ocasiones. Recuerde que no vemos los quarks directamente: están

confinados, junto con los gluones, en el interior de hadrones como

los protones y los neutrones. La masa de un protón o de un neutrón

es mucho mayor que la suma de las de los quarks que lo componen,

debido a que procede, en su mayor parte, de las partículas virtuales

que mantienen unidos los quarks. Si no existiese el Higgs, los

quarks seguirían unidos formando hadrones, cuyas masas apenas



variarían. Eso significa que la mayor parte de la masa de, por

ejemplo, una mesa o una persona, no se debe en absoluto al Higgs.

La mayor parte de la masa de los objetos ordinarios proviene de sus

protones y neutrones, la cual a su vez se debe a las interacciones

fuertes, no al campo de Higgs.

Lo cual no quiere decir que el Higgs sea irrelevante para la física de

los objetos cotidianos. Imagine que nos hiciésemos con un panel

secreto que controlase las leyes físicas y que al girar lentamente el

dial denominado «Higgs» pudiésemos hacer que disminuyese el valor

del campo de Higgs en el espacio vacío desde los 246 GeV a

cualquier valor más pequeño. (Nota: Ese panel secreto no existe.) A

medida que decreciese el valor del campo de Higgs que nos rodea,

también lo harían las masas de los quarks, los leptones con carga y

los bosones W y Z. Las variaciones en las masas de los quarks y de

los bosones W y Z darían lugar a minúsculas alteraciones en las

propiedades de los protones y los neutrones, pero nada

inmediatamente espectacular. Los cambios en el muón y el tau son

casi irrelevantes para nuestra vida cotidiana. Pero cualquier

variación de la masa del electrón sería extraordinariamente

importante.

En la representación mental esquemática del átomo a la que

estamos habituados, los electrones orbitan alrededor del núcleo

como los planetas lo hacen alrededor del Sol, o la Luna alrededor de

la Tierra. En este caso, la representación esquemática deja de tener

validez, y tenemos que tomarnos en serio la mecánica cuántica. A

diferencia de un planeta que órbita alrededor del Sol, un electrón



típico no órbita a una distancia arbitraria, sino que en realidad

estará lo más próximo posible al núcleo. (Si estuviese más alejado,

tendería a perder energía emitiendo un fotón, y por tanto volvería a

acercarse.) Y cuánto puede acercarse depende de su masa. Las

partículas pesadas pueden apretarse en pequeñas regiones del

espacio, mientras que las más ligeras siempre están más

desperdigadas. Dicho de otro modo, el tamaño de los átomos

depende de un parámetro fundamental de la naturaleza, la masa del

electrón. Si esa masa disminuyese, los átomos serían mucho más

grandes.

Eso es muy importante. Si hiciésemos que los átomos creciesen, el

tamaño de los objetos ordinarios no crecería en la misma

proporción. Lo que hace que la materia ordinaria permanezca unida

es la química, las maneras que tienen los átomos de unirse unos a

otros en interesantes combinaciones. Y la razón por la que se unen

es porque comparten electrones, al menos cuando las

circunstancias son las adecuadas. Y dichas circunstancias

cambiarían por completo si el tamaño de los átomos fuese otro. Si la

masa del electrón variase solo un poco, seguiríamos teniendo

«moléculas» y «química», pero las reglas específicas que conocemos

en el mundo real cambiarían de manera significativa. Las moléculas

sencillas, como la de agua (H2O) o la de metano (CH4), serían

prácticamente iguales, pero las moléculas complejas, como el ADN,

las proteínas, o las células vivas, resultarían inviables. En resumen:

si la masa del electrón cambiase aunque fuese solo un poco, toda la

vida dejaría de existir al instante.



Si cambiase mucho, los efectos serían en consecuencia más

espectaculares. A medida que el valor del campo de Higgs se

aproximase al cero, los electrones serían cada vez más ligeros y, por

tanto, los átomos serían cada vez más grandes. Llegaría un

momento en que alcanzarían tamaño macroscópico, y después

tamaño astronómico. Cuando cada átomo fuese tan grande como el

Sistema Solar, o como la Vía Láctea, dejaría de tener sentido hablar

de «moléculas». El universo no sería más que un conjunto de átomos

individuales superenormes, que chocarían los unos con los otros en

el cosmos. Si la masa del electrón llegase a ser precisamente cero,

los átomos ya no existirían, los electrones serían incapaces de

unirse a los núcleos. Y si eso sucediese repentinamente, la

respuesta a la pregunta de Hal Eisner con la que empezaba el

capítulo sería afirmativa: la palomita de maíz estallaría.

Pero sucedería también algo más sutil. Pensemos en los tres

leptones con carga: el electrón, el muón y el tau. La única diferencia

entre estas partículas está en sus masas. Si anulamos el campo de

Higgs, también se anulan las masas, y todas estas partículas se

vuelven idénticas. (Nota técnica: las interacciones fuertes asimismo

pueden influir sobre los valores esperados de los campos, con

efectos similares a los del Higgs pero de mucha menor magnitud. En

esta discusión estamos ignorando tales efectos.) Lo mismo sucedería

con los tres quarks de carga +2/3 (up, charm y top) y para los tres

con carga -1/3 (down, strange y bottom). Los componentes de cada

grupo de partículas serían idénticos de no ser por la existencia del

campo de Higgs en el que se desenvuelven. Lo cual señala a la que



quizá sea la función más fundamental del Higgs: la ruptura de

simetrías.

§. Definir la simetría

Cuando pensamos en la palabra «simetría», lo que nos viene a la

mente es una agradable regularidad. Los estudios han demostrado

que los rostros simétricos, aquellos en que los lados izquierdo y

derecho son iguales, suelen resultar más atractivos. Pero los físicos

(y los matemáticos de quienes aprenden cosas como esta) quieren

profundizar más y estudiar qué es lo que hace que algo sea

«simétrico» en el sentido más general, y cómo aparecen estas

simetrías en la naturaleza.

La sencilla idea de «lados izquierdo y derecho que coinciden» refleja

una idea más general: decimos que un objeto posee una simetría

cuando podemos transformarlo de alguna manera y acabar

exactamente donde hemos empezado. En el caso de un rostro

simétrico, podemos imaginar que hacemos que se refleje a lo largo

de una línea vertical que pase por su punto medio, y volveríamos a

obtener la misma cara. Pero los objetos más sencillos poseen

muchas más simetrías.

Pensemos en una figura geométrica, como un cuadrado. Podemos

tomar su imagen especular, reflejando ambos lados del cuadrado

alrededor de un eje vertical que pase precisamente por el medio, y

acabaríamos exactamente con el mismo cuadrado de partida. Eso es

una simetría. También podríamos hacer lo mismo respecto a un eje

horizontal, lo que es señal de que existe una simetría adicional. (Eso



no funcionaría con una cara. Incluso la persona más bella tiene un

aspecto distinto cuando se la ve invertida.) Ya puestos, podríamos

hacer una reflexión respecto a cualquiera de los ejes diagonales

(pero no respecto a un eje arbitrario, porque eso haría que se

desplazasen las esquinas del cuadrado). También podemos rotar el

cuadrado noventa grados en el sentido de las agujas del reloj

alrededor de su punto central, o cualquier múltiplo de esa cantidad.

Como el cuadrado, el círculo parece muy simétrico, y de hecho lo es

mucho más aún. No solo podemos obtener su imagen especular

alrededor de cualquier eje que pase por su centro, sino que podemos

también rotarlo en cualquier ángulo, y siempre obtendremos un

círculo exactamente idéntico. Esa es mucha más libertad de la que

teníamos con el cuadrado. Un garabato al azar, por el contrario, no

tiene ninguna simetría en absoluto. Lo alteremos como lo alteremos,

acabará siendo distinto.

Un círculo, un cuadrado y un garabato. El círculo posee un gran

número de simetrías, incluidas las rotaciones de cualquier eje. Las

simetrías del cuadrado son menos: rotaciones de noventa grados,

reflexiones alrededor de los ejes vertical u horizontal, o combinaciones

de las anteriores. El garabato no posee ninguna simetría.



Una simetría es una manera de decir «podemos alterar las cosas de

una determinada manera sin que cambie nada importante». Da

igual que rotemos un cuadrado noventa grados, o que obtengamos

su reflejo alrededor de un eje central: acaba teniendo el mismo

aspecto.

Desde este punto de vista, la idea de simetría quizá no parezca tan

potente. Pues sí, da igual que rotemos el círculo, ¿y eso a quién le

importa? La razón por la que nos importa es porque cuando las

simetrías son lo suficientemente potentes imponen fuertes

restricciones sobre lo que puede suceder. Supongamos que alguien

le dice: «En este pedazo de papel he dibujado una figura que

seguiría teniendo el mismo aspecto aunque la haga girar un ángulo

cualquiera». Sabría entonces que esa figura es un círculo (o un solo

punto, que es como un círculo de tamaño nulo). Es la única figura

que posee tal grado de simetría. De manera análoga, en física, con

frecuencia podemos determinar cuál será el comportamiento de

nuestros experimentos simplemente con entender cuál es la

simetría que opera en cada caso.

Un caso clásico de simetría en física es la mera constatación de que

da igual dónde realicemos un determinado experimento. Si este

refleja principios fundamentales de la física, el resultado siempre

será el mismo. Por ejemplo, hay un experimento famoso en el que

un científico (normalmente joven, que a menudo se graba para

después poder subir el vídeo a YouTube) introduce caramelos

Mentos en una botella de Coca-Cola Light. La estructura porosa de



los dulces cataliza la liberación del dióxido de carbono de la bebida,

lo que da como resultado un impresionante géiser de espuma. El

experimento no sale tan bien con otro tipo de caramelos o de

bebida. Pero funciona igual de bien cuando se realiza en Los

Ángeles, Buenos Aires o Hong Kong. No existe en la naturaleza una

simetría bajo el intercambio de distintos tipos de comida o bebida,

pero sí existe la simetría del cambio de posición. Los físicos la

llaman «invariancia traslacional», porque no desperdician la ocasión

de ponerle un nombre imponente a un concepto sencillo.

Cuando se trata de partículas o de campos, las simetrías nos dicen

que podemos intercambiar distintos tipos de partículas, o incluso

«rotarlas unas por otras». (Las comillas son útiles aquí porque

estamos transformando campos unos en otros, no rotando

direcciones en el universo tridimensional en el que vivimos.) El

ejemplo más claro es el de los tres tipos de quarks con color,

normalmente denominados «rojo», «verde» y «azul». Es

completamente irrelevante con qué se corresponde cada uno de los

nombres: si tienes delante tres quarks, no importa cuál sea el

«quark rojo», cuál el «azul» y cuál el «verde». Puedes intercambiar

esas etiquetas y toda la física relevante permanecerá inalterada: ese

es el poder de la simetría. Si fuesen un quark y un electrón, no

podríamos intercambiar las etiquetas. Un quark es muy diferente de

un electrón: tiene distinta masa, distinta carga y es sensible a la

interacción fuerte. Aquí no opera ninguna simetría.

Si no fuese porque el campo de Higgs les da a las partículas

elementales sus masas, habría una simetría que vincularía al



electrón, el muón y el tau, ya que esas partículas serían idénticas en

todos los sentidos, igual que Angelina y yo cruzábamos la

habitación vacía a la misma velocidad. Podríamos intercambiar un

muón por un electrón en una interacción, y los detalles no

variarían. Podríamos incluso (según las reglas de la mecánica

cuántica) crear una partícula que fuese mitad electrón y mitad

muón, y también sería idéntica. Como lo sería, de hecho, cualquier

combinación de las tres partículas, de manera análoga a cómo

podemos rotar un círculo en un ángulo cualquiera. También

aparecerían simetrías similares entre los quarks up, charm y top,

así como entre los down, strange y bottom. Son lo que se conocen

como simetrías de «sabor», y aunque el Higgs impide que se respeten

por completo en la naturaleza, siguen siendo muy útiles para los

físicos de partículas que analizan los distintos procesos básicos.

Pero existe otra simetría, más profunda y sutil que las de los

sabores, que, en un principio, parece estar completamente oculta

pero cuya importancia resulta ser absolutamente crucial. Es la

simetría fundamental de las interacciones débiles.

§. Conexiones y fuerzas

La verdadera importancia de las simetrías —la razón por la que los

físicos no pueden dejar de hablar de ellas— se debe a que cuando

son suficientemente potentes dan lugar a las fuerzas de la

naturaleza. Este es uno de los hallazgos más sorprendentes de la

física del siglo XX, pero no es fácil de asimilar. Merece la pena que

dediquemos un momento a entender cuál es la conexión entre



simetrías y fuerzas.

Igual que, en el mundo cotidiano, existe una simetría que dice que:

«no importa dónde se realice un experimento», hay otra que afirma

que: «no importa en qué dirección esté orientado el experimento».

Eche los caramelos en la Coca- Cola y verá salir la espuma. Gire

todo el instrumental y póngalo orientado hacia el este, en lugar de

hacia el norte, repítalo, y (dentro de la incertidumbre experimental)

debería obtener el mismo resultado. Es lo que se llama, por razones

evidentes, «invariancia rotacional».

De hecho, la cosa va aún más allá. Supongamos que estoy

realizando mi experimento en el aparcamiento junto a mi oficina, y

una amiga está haciendo otro experimento, sin relación alguna con

el mío, a unos pocos metros de distancia. Si ambos rotamos los

experimentos el mismo ángulo, es de esperar que obtengamos los

mismos resultados. Pero, lo que es más, puedo rotar mi

instrumental mientras ella mantiene el suyo como estaba al

principio, o podemos rotarlos ambos en ángulos arbitrarios. Dicho

de otro modo, la simetría no es únicamente bajo una única rotación

del mundo (da igual que estemos todos mirando hacia el norte, o en

cualquier otra dirección), sino bajo rotaciones distintas en cada

punto (da igual en qué dirección está orientado cada uno de

nosotros).

Eso significa que hay muchísima más simetría. Entre los que nos

dedicamos a esto, este tipo de simetría se denomina «invariancia de

gauge». El nombre se lo puso el matemático alemán Hermann Weyl,

quien comparó la elección sobre cómo medir las cosas en distintos



puntos con la elección del ancho de vía (gauge, en inglés) en los

ferrocarriles. También se denominan simetrías «locales», puesto que

podemos realizar la transformación de simetría por separado en

cada ubicación. A diferencia de la anterior, una simetría «global»

estaría basada en una transformación que debe realizarse

uniformemente en todos los puntos al mismo tiempo. (Local no

significa «solo en un punto», sino «por separado en cada punto». Las

simetrías locales son más grandes y potentes que las globales.)

Puesto que podemos colocar nuestros equipos en distintas

direcciones en cada punto, cobra una importancia fundamental el

hecho de que podamos comparar de alguna manera la configuración

que hemos adoptado en los diferentes puntos. Pensemos en unos

topógrafos que están levantando los planos de una casa de nueva

planta. Pueden empezar por una esquina, lo cual fija la dirección en

la que la casa estará orientada. Pero, si suponemos que la casa

tendrá forma rectangular, querrán que la orientación del resto de

las esquinas se alinee con la de la primera. No es posible construir

una casa en la que las esquinas estén orientadas en direcciones

cualesquiera. En el mundo real, esto no suele ser muy difícil: basta

con dibujar varias líneas rectas, ya sea desplegando un hilo entre

los puntos o utilizando el instrumental topográfico.

Imagine, no obstante, que el suelo en el que estamos construyendo

la casa no está completamente nivelado. El terreno es desigual y,

por razones estéticas, el cliente quiere que construyamos sobre los

montículos en lugar de entrar con las niveladoras e igualarlo. En ese

caso, nuestro problema se complica un poco: debemos tener en



cuenta las variaciones del terreno a la hora de alinear las esquinas

de nuestro edificio.

Este es el punto delicado: para que podamos relacionar nuestras

ideas de lo que significa «la misma dirección» en distintos puntos del

espacio, es necesario que exista un campo en el espacio que une

dichos puntos, un campo que nos dice literalmente cómo

conectarlos entre sí, y que en la literatura técnica se denomina una

«conexión». En nuestro ejemplo arquitectónico, el campo relevante

proviene de la altura del suelo en sí. Eso es un campo. Aunque no

se trate de un campo fundamental, de los que al vibrar dan lugar a

las partículas, sí que asocia un número a cada punto del terreno,

que es lo que a fin de cuentas es un campo. (Un mapa topográfico

sería una imagen del «campo de alturas».) La información que ese

campo incorpora nos permite establecer relaciones entre lo que

sucede en diferentes puntos del espacio.

Siempre que tenemos una simetría que nos permite llevar a cabo

transformaciones independientes en distintos puntos (una simetría

gauge), automáticamente viene con un campo de conexión que nos

permite comparar lo que sucede en esas ubicaciones. A veces el

campo es del todo inocuo y ni siquiera notamos que existe, como la

altura del terreno en una superficie que no es perfectamente plana.

Pero cuando el campo de conexión varía mucho de un lugar a otro,

las consecuencias son enormes.

Por ejemplo, cuando la altura del terreno varía de un lugar a otro, se

puede ir de uno a otro esquiando (o patinando, dependiendo de las

condiciones). Si el terreno es plano, uno permanecería ahí inmóvil;



cuando el terreno tiene una inclinación, existe una fuerza que tira

de uno hacia la base de la colina. Esa es la fórmula mágica que hace

que el mundo evolucione, según la física moderna: Las simetrías

dan lugar a campos de conexión, y las variaciones en los campos de

conexión dan lugar a las fuerzas de la naturaleza.

El origen de las fuerzas de la naturaleza: las simetrías locales

implican que existen campos de conexión, que dan lugar a las

fuerzas.

Las cuatro fuerzas de la naturaleza —gravedad, electromagnetismo

y las fuerzas nucleares fuerte y débil— están todas basadas en

simetrías. (El bosón de Higgs también transmite una fuerza, pero no

es el que hace que las partículas tengan masa; de eso se encarga el

campo de Higgs, en segundo plano. Y no está basado en ninguna

simetría.) Los campos bosónicos que transmiten estas fuerzas —

gravitones, fotones, gluones y bosones W y Z— son todos campos de

conexión que establecen relaciones entre las transformaciones de

simetría en distintos puntos del espacio. A menudo, para recalcar

este hecho, se les llama «bosones de gauge».

Los campos de conexión definen unas pistas de esquí invisibles en

todos los puntos del espacio, que dan lugar a las fuerzas que



impulsan las partículas en distintas direcciones, dependiendo de

cómo interaccionen. Está la pista de esquí gravitatoria, que afecta

de la misma manera a todas las partículas; la electromagnética, que

empuja en un sentido a las partículas de carga positiva y en la

dirección contraria a las de carga negativa; una pista de esquí de la

interacción fuerte, a la que solo son sensibles los quarks y los

gluones; y una pista de la interacción débil que sienten todos los

fermiones del Modelo Estándar, y también el propio bosón de Higgs.

En el caso de los gravitones, las simetrías responsables de la fuerza

son aquellas de las que ya he hablado —traslaciones (cambios de

posición) y rotaciones (variaciones de la orientación)— no en el

espacio tridimensional, sino en el espacio-tiempo tetradimensional.

Para las interacciones fuertes, la simetría establece relaciones entre

los colores rojo, verde o azul de los distintos quarks. Da igual que

describamos a un quark en particular como rojo, verde o azul, o

cualquier combinación de los tres, de manera que existe una

simetría.

Puede que no se haya dado cuenta de que las partículas con carga

eléctrica siempre vienen en pares: una con carga positiva y otra con

carga negativa. Eso se debe a que, para obtener una partícula

cargada, son necesarios dos campos que puedan rotar el uno en el

otro mediante la simetría de gauge del electromagnetismo. Un único

campo por sí solo no puede estar cargado eléctricamente, puesto

que no hay nada sobre lo que pueda actuar la simetría.

Llegamos por último a los bosones W y Z de las interacciones

débiles. Son también campos de conexión, nacidos de cierta



simetría básica de la naturaleza. Pero dicha simetría está

disimulada por el campo de Higgs, por lo que describirla es algo más

difícil.

§. El problema con las simetrías

El proceso que condujo al descubrimiento de la simetría que

subyace en las interacciones débiles fue algo enrevesado. En los

años cincuenta, antes incluso de que se hubiese inventado la idea

de los quarks, los físicos se habían dado cuenta de que los

neutrones y los protones eran muy parecidos en ciertos aspectos. El

neutrón es un poquito más pesado, pero, a fin de cuentas, su masa

es muy similar a la del protón. Obviamente, el protón tiene una

carga eléctrica de la que el neutrón carece, pero la interacción

electromagnética no es tan intensa como la fuerza nuclear fuerte y,

por lo que respecta a esta última, ambas partículas parecen

indistinguibles. Si nos interesasen en particular las interacciones

fuertes, podríamos avanzar bastante suponiendo que el neutrón y el

protón no son más que distintas versiones de un «nucleón»

unificado. Es, como mucho, una simetría aproximada —las cargas y

las masas son diferentes, de manera que la simetría no es perfecta—

, pero aun así se le puede sacar mucho jugo.

En 1954, a Chen Ning Yang y Robert Mills se les ocurrió que esta

simetría debería ser «promocionada» a simetría local, esto es, que

deberíamos poder «rotar» neutrones y protones los unos en los otros

en cualquier punto del espacio. Sabían lo que esto implicaba: la

existencia de un campo de conexión y su correspondiente fuerza de



la naturaleza. En un primer momento, la idea debió de parecer

disparatada: ¿cómo se puede crear una simetría de gauge a partir

de algo que, para empezar, solo de manera aproximada se puede

considerar una simetría? Pero sucede a menudo que, con el tiempo,

cuando entendemos mejor la naturaleza, se reconocen como

brillantes ideas que en un principio parecían una locura.

Había un problema más importante. En esa época, existían dos

teorías consolidadas basadas en simetrías locales: la gravedad y el

electromagnetismo. Se habrá dado cuenta el lector de que ambas

son fuerzas de largo alcance, y de que los bosones que las

transmiten no tienen masa. Ninguno de estos hechos es mera

coincidencia. Resulta que el requisito de la simetría local exige que

el bosón asociado tenga masa exactamente nula; y cuando el bosón

no tiene masa, la fuerza que transmite puede extenderse a lo largo

de distancias muy grandes. La fuerza de un bosón masivo decae

enseguida debido a la energía necesaria para crear las partículas

con masa, pero la fuerza de un bosón de masa nula puede tener un

alcance infinito.

Lo que sucede con las partículas sin masa es que son fáciles de

crear. Especialmente si hablamos de un campo con tendencia a

interactuar con neutrones y protones, y estamos tratando de

entender lo que sucede en el interior de un núcleo atómico, donde

las fuerzas evidentemente son muy intensas. Con la perspectiva de

1954, parecía que ninguna partícula sin masa desempeñaba un

papel importante en el interior del núcleo. Pero Yang y Mills

perseveraron.



No fue fácil. En febrero de ese año, Yang impartió un seminario

sobre su trabajo en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton.

En el público, entre otras personalidades, estaba el físico Wolfgang

Pauli, famoso por su mordacidad. Pauli sabía perfectamente que la

teoría de Yang-Mills predecía un bosón sin masa, en parte porque él

mismo había investigado un modelo similar que nunca llegó a

publicar. No fue el único. Otros físicos, entre los que se encontraba

Werner Heisenberg, barajaron ideas similares antes de que Yang y

Mills las combinasen explícitamente.

Cuando formas parte del público de un seminario científico, alguna

que otra vez se da la circunstancia que no estás de acuerdo con algo

de lo que dice el orador. El protocolo habitual pasa por hacer una

pregunta, o quizá hacer explícito tu desacuerdo, y después dejar

que el orador continúe. Pero ese no era el estilo de Pauli, que

interrumpió repetidamente a Yang, exigiendo saber cuál era la masa

de esos bosones.

Yang, que había nacido en China en 1922 y se había trasladado a

Estados Unidos para estudiar con Enrico Fermi, compartiría el

premio Nobel de 1957 con T. D. Lee por su trabajo sobre la violación

de la paridad (la simetría izquierda-derecha). Pero uno pocos años

antes era aún relativamente joven y su reputación aún no estaba

asentada. Ante la embestida de Pauli, Yang se quedó sin respuesta,

y acabó sentándose en silencio en mitad de su propio seminario.

Robert Oppenheimer, que presidía el acto, lo persuadió para que

continuase, mientras Pauli siguió rezongando en voz baja. Al día

siguiente, Pauli le envió una breve nota a Yang: «Lamento que



hicieses que me resultase prácticamente imposible hablar contigo

tras el seminario. Con mis mejores deseos. Atentamente. W. Pauli».

Pauli no se equivocaba al mostrar su preocupación por la predicción

de partículas sin masa no detectadas, pero Yang tampoco erraba al

seguir defendiendo su idea a pesar de sus aparentes deficiencias.

En su artículo, Yang y Mills reconocieron el problema, pero

expresaron la vaga esperanza de que los efectos mecano-cuánticos

de las partículas virtuales hiciesen que sus bosones tuviesen masa.

Y casi tenían razón. Hoy sabemos que tanto las interacciones

fuertes como las débiles se basan en las denominadas teorías de

Yang-Mills. Y ambas fuerzas emplean maneras muy diferentes, pero

igualmente ingeniosas y sorprendentes, de ocultar sus partículas

sin masa. En la interacción fuerte, los gluones tienen masa nula,

pero están confinados en el interior de los hadrones, de manera que

nunca los observamos. En las interacciones débiles, los bosones W y

Z carecerían de masa si no fuese por la interferencia del campo de

Higgs, que se extiende por todo el espacio. El Higgs rompe la

simetría en la que se basan, y una vez rota ya no hay motivo para

que los bosones carezcan de masa. El recorrido hasta llegar a

entender todo esto ha sido tortuoso.

§. Rompiendo simetrías

Para entender cómo se puede «romper» una simetría, descendamos

desde el terreno de la abstracción al mundo del día a día. Ya hemos

comentado un par de ejemplos sencillos de simetrías que se dan a

nuestro alrededor: da igual dónde estés, y da igual en qué dirección



estés orientado. Las leyes físicas poseen otra simetría, en la que es

más difícil reparar: da igual a qué velocidad te muevas, idea que

nada menos que el propio Galileo fue el primero en codificar.

Imagine que va en un tren, viajando a toda velocidad a través de la

campiña. Supongamos que es un tren supermoderno, que utiliza

levitación magnética para flotar sobre los raíles, en lugar de las

ruedas de toda la vida. Si el tren es lo suficientemente silencioso y

no encuentra sobresaltos en su recorrido, no hay manera de saber a

qué velocidad nos movemos sin mirar por la ventana. Si se dedica a

lo suyo, a hacer experimentos en el interior del tren, la velocidad a

la que nos movemos no importa. Ya podríamos estar completamente

parados, o yendo a 150 kilómetros por hora, que el efecto de echar

los Mentos en la Coca- Cola sería exactamente el mismo.

En nuestra experiencia cotidiana, este llamativo hecho se nos oculta

por un sencillo motivo: podemos mirar al exterior, o simplemente

sacar la mano por la ventana. Inmediatamente nos damos cuenta de

la velocidad a la que nos movemos, porque podemos medirla (o al

menos estimarla) con relación al suelo o al aire.

Este es un ejemplo de ruptura de simetría. A las leyes de la física les

da igual a qué velocidad te muevas, pero al suelo y al aire no.

Ambos tienen una velocidad preferida, a saber, «en reposo respecto

al suelo». Las reglas profundas del juego poseen una simetría, pero

nuestro entorno no la respeta. Decimos que el entorno rompe la

simetría. Eso es exactamente lo que el campo de Higgs hace con las

interacciones débiles. Las leyes básicas de la física obedecen a una

determina simetría, pero el campo de Higgs la rompe.



La ruptura de simetría de que venimos hablando hasta ahora se

suele denominar ruptura de simetría «espontánea». Es una manera

de decir que la simetría en realidad sigue ahí, oculta en las

ecuaciones fundamentales que rigen el mundo, pero que alguna

característica de nuestro entorno hace que exista una dirección

preferida. Ser capaz de sacar la mano por la ventana del tren y

medir tu velocidad respecto al aire no afecta al hecho de que las

leyes físicas son invariantes respecto a las distintas velocidades. De

hecho, cuando hablamos con propiedad decimos a veces que estas

simetrías están «ocultas», en lugar de «rotas espontáneamente». Para

más información sobre esta idea de espontaneidad véase el capítulo

11.

§. Las simetrías de las interacciones débiles

Resulta que, en lo fundamental, Yang y Mills iban por buen camino

con su idea de la simetría entre neutrones y protones. Hoy en día

sabemos que existen los quarks, evidentemente, por lo que la idea

análoga sería proponer una simetría entre los quarks up y down.

Tendría que enfrentarse a los mismos obstáculos: los quarks up y

down tienen masas y cargas eléctricas distintas. Si el origen de esas

características se pudiese ligar a la existencia del campo de Higgs,

iríamos bien encaminados. Y, de hecho, se puede.

Aquí es donde las cosas se complican (tanto que hemos relegado los

detalles al apéndice 1). (No podíamos esperar que fuese fácil:

estamos hablando de una serie de descubrimientos que se

tradujeron en múltiples premios Nobel.) El origen de las

complicaciones reside en el hecho de que los fermiones elementales



poseen una propiedad llamada «espín» (del inglés spin, «giro» o

«rotación»). Las partículas sin masa, que siempre se mueven a la

velocidad de la luz, pueden tener dos tipos de espín: hacia la

derecha o hacia la izquierda. Puede imaginárselo así: «si la partícula

se aproxima hacia usted, puede girar en el sentido de las agujas del

reloj, o en sentido contrario». El secreto de las interacciones débiles

es que existe una simetría que relaciona todas las partículas

levógiras, y una fuerza asociada a ella, pero no existe la simetría

correspondiente para las partículas dextrógiras. Las interacciones

débiles violan la paridad, discriminan entre izquierda y derecha.

Puede imaginarse la paridad como la operación de mirar el mundo a

través de su reflejo en un espejo, en el que se intercambian

izquierda y derecha. La mayoría de las fuerzas (nuclear fuerte,

gravedad, electromagnetismo) actúan de la misma manera con

independencia de que las observemos directamente o a través de un

espejo. Pero las interacciones débiles establecen diferencias entre

izquierda y derecha.

La simetría de las interacciones débiles vincula pares de partículas

levógiras, básicamente como sigue:



Las partículas que hemos unido en parejas aquí parecen a primera

vista muy distintas, tienen masas y cargas diferentes. Eso se debe a

que el campo de Higgs, actuando en segundo plano, rompe la

simetría entre ellas. Si no fuese por el baile de máscaras que

organiza el Higgs, las partículas de cada una de las parejas serían

completamente indistinguibles, de la misma manera que

consideramos que los quarks rojo, verde y azul son tres versiones

distintas de la misma cosa.

El propio campo de Higgs rota bajo la simetría de las interacciones

débiles, motivo por el cual, cuando su valor es distinto de cero en el

espacio vacío, marca una dirección y rompe la simetría, igual que el

aire toma una velocidad con respecto de la cual podemos tomar

medidas cuando viajamos en nuestro tren. En el ejemplo anterior

del péndulo, el estado de mínima energía del péndulo normal era

perfectamente simétrico, en dirección vertical. El péndulo invertido,

como el campo de Higgs, rompe la simetría al caer o bien a la

izquierda o bien a la derecha.

Si estuviese completamente perdido en un bosque en mitad de la

noche, todas las direcciones le parecerían iguales. Podría dar

vueltas alrededor de su posición, pero eso no haría que mejorase su

situación. Pero si tuviese una brújula, y quisiese caminar hacia el

norte, la dirección que marcase la brújula rompería la simetría: esa

sería la dirección correcta, y el resto no. De la misma manera, sin

campo de Higgs, el electrón y el neutrino electrónico, por ejemplo,

serían partículas idénticas. Podría rotar la una en la otra, y las

combinaciones resultantes seguirían siendo indistinguibles. El



campo de Higgs, como la brújula, tiene una dirección preferida.

Ahora existe una combinación determinada de campos que

interactúa con la máxima intensidad con el campo de Higgs, a la

que llamamos «electrón», y otra que no lo hace, que denominamos

«neutrino electrónico». Esa distinción solo tiene sentido si se hace

respecto al campo de Higgs que se extiende por todo el espacio.

Si no fuese por la ruptura de simetría, habría en realidad cuatro

bosones de Higgs, en lugar de uno solo: dos parejas de partículas

que se transforman unas en otras a través de la simetría de la

interacción débil. Pero, cuando el campo de Higgs se extiende por

todo el espacio, tres de esas partículas son «engullidas» por los tres

bosones de gauge de las interacciones débiles, que pasan así de ser

partículas transmisoras de fuerza con masa nula a convertirse en

los bosones W y Z, que sí poseen masa. Sí, los físicos hablan así de

verdad: los bosones de la interacción débil adquieren masa al

engullir los bosones de Higgs adicionales. De lo que se come se cría.

§. De vuelta al big bang

La analogía entre el campo de Higgs y el péndulo invertido es

realmente buena. Como el Higgs, las leyes físicas fundamentales

para el péndulo son perfectamente simétricas, no distinguen entre

izquierda y derecha. Pero el péndulo solo puede encontrarse en dos

configuraciones estables: a la izquierda o a la derecha. Si

tratásemos cuidadosamente de equilibrarlo de forma que su

configuración fuese simétrica, en posición vertical, cualquier

pequeño golpecito haría que cayese a un lado o a otro.



El campo de Higgs es similar. Se podría hacer que tomase un valor

nulo en el espacio vacío, pero esa configuración es inestable. En el

caso del péndulo, si estuviese tranquilamente a la izquierda o a la

derecha, tendríamos que proporcionarle energía para hacer que

apuntase en dirección vertical. Lo mismo sucede con el campo de

Higgs. Para desplazarlo desde su valor no nulo en todos los puntos

del espacio y hacer que tomase valor cero, sería necesaria una

cantidad ingente de energía, mucho mayor que la energía total del

universo actualmente observable.

Pero el universo fue una vez un lugar mucho más denso, con mucha

más energía condensada en un volumen mucho menor. En los

instantes posteriores al big bang, hace 13.700 millones de años, la

materia y la radiación estaban mucho más apiñadas, y la

temperatura era extraordinariamente más elevada. Siguiendo con la

analogía del péndulo, imagine que el péndulo invertido se encuentra

sobre una mesa, en lugar de estar anclado al suelo. «Alta

temperatura» implica mucho movimiento aleatorio por parte de las

partículas; en los términos de la analogía, es como si alguien

agarrase la mesa y empezase a sacudirla. Si lo hiciese con la

suficiente energía, podríamos imaginar que el péndulo pasase de

estar a la izquierda a la derecha (o viceversa). Si las sacudidas

fuesen realmente muy energéticas, el péndulo vibraría como loco,

saltando constantemente entre una posición y otra. En promedio,

pasaría tanto tiempo a la izquierda como a la derecha. En otras

palabras, a altas temperaturas, el péndulo invertido vuelve a ser

simétrico.



Lo mismo sucede con el campo de Higgs. Estamos en los primeros

momentos del universo, la temperatura es increíblemente alta, y el

campo de Higgs está constantemente recibiendo empellones. En

consecuencia, su valor en cualquier punto oscila constantemente, y

en promedio es cero. En esos primeros instantes del universo, se

recupera la simetría. Los bosones W y Z no tienen masa, igual que

los fermiones del Modelo Estándar. El momento en que, en

promedio, el campo de Higgs pasó de ser cero a tomar un valor no

nulo es lo que se conoce como «transición de fase electrodébil». Se

parece a la congelación del agua para convertirse en hielo, pero no

había nadie por allí por aquel entonces para verlo.

Estamos hablando de los primerísimos instantes de la historia del

universo: alrededor de una billonésima de segundo después del big

bang. Si recreásemos las condiciones del universo temprano en el

salón de casa, el Higgs pasaría de ser cero a su valor normal no

nulo tan rápido que ni siquiera notaríamos que alguna vez su valor

fue nulo. Pero los físicos pueden utilizar las ecuaciones para

predecir la larga sucesión de eventos que tuvo lugar en esa primera

billonésima de segundo. A día de hoy, no tenemos datos

experimentales directos con los que contrastar esas ideas, si bien

trabajamos para hacer predicciones que algún día podremos

contrastar con las observaciones.

§. Caótico pero efectivo

Esta historia puede parecer un poco forzada, cuando hablamos de

campos de valor no nulo en el espacio vacío, de la naturaleza que



discrimina entre izquierda y derecha, y de los bosones que ganan

peso engullendo otros bosones, pero es una representación que se

ha ido construyendo progresivamente a lo largo de muchos años,

durante los cuales ha tenido que hacer frente a toda una corriente

de voces escépticas. Y encaja con los datos.

Cuando Steven Weinberg y Abdus Salam aportaron las últimas

piezas a la teoría de las interacciones débiles, en sendos artículos

que publicaron de manera independiente a finales de la década de

1970, nadie les hizo ningún caso. Demasiado artificio, demasiados

campos haciendo demasiadas cosas raras. En aquella época, habían

deducido que debía de existir algo como los bosones W para

transmitir la fuerza débil. Pero Weinberg y Salam predijeron una

nueva partícula, el bosón Z neutro, de la que no había ninguna

evidencia. Más tarde, en 1973, un experimento del CERN con el

caprichoso nombre de Gargamelle encontró evidencias de la

interacción que transmite el bosón que ahora llamamos Z. (La

partícula en sí no fue descubierta hasta diez años después, también

en el CERN.) Desde entonces, experimento tras experimento han ido

acumulando datos que apoyan la representación fundamental de la

simetría de la interacción débil rota por un campo de Higgs.

En 2012, parece que por fin hemos dado con el Higgs. No obstante,

esto no es el final de la historia, sino el principio. No cabe duda de

que la teoría del Higgs encaja con los datos, pero en muchos

aspectos parece demasiado enrevesada. Aparte del Higgs, cualquier

otra partícula de las que hemos encontrado es o bien una «partícula

de materia» fermiónica o un bosón derivado del campo de conexión



asociado con una simetría. El Higgs parece diferente. ¿Qué lo hace

tan especial? ¿Por qué solo esas simetrías, rotas de esa manera en

particular? ¿Es posible que exista una teoría más fundamental que

dé mejores resultados todavía? Ahora que disponemos de datos que

estudiar, en lugar de limitarnos a inventar modelos, tenemos

motivos para pensar que se nos ocurrirá una teoría mejor que esta,

a la que hemos llegado gracias exclusivamente a nuestra capacidad

mental.



Capítulo 9

El mundo a sus pies

Donde ideamos la manera de encontrar el bosón de Higgs

y la forma de saber si lo hemos encontrado.

Tras años de espera, el descubrimiento del bosón de Higgs se

produjo antes de lo que nadie imaginaba.

En cierto sentido, la expectación llevaba cuatro décadas

acumulándose, desde que el mecanismo de Higgs se convirtió en el

modelo aceptado de las interacciones débiles. Pero una vez que el

LHC se puso en funcionamiento, la excitación alcanzó su punto

álgido en diciembre de 2011.

A principios de ese mes, el CERN había hecho pública una nota

bastante anodina anunciando los seminarios del 13 de diciembre,

titulada: «Actualización del estado de la búsqueda del bosón de

Higgs por los experimentos ATLAS y CMS en el CERN». Las

actualizaciones se producen continuamente, así que eso por sí solo

no debería provocar mucha excitación. Pero estamos hablando de

dos experimentos enormes, cada uno de ellos formado por más de

tres mil físicos, y enseguida se corrió la voz de que estos no serían

unos seminarios cualesquiera. Ya el 1 de diciembre, el Telegraph

británico había publicado una historia, firmada por Nick Collins,

corresponsal de ciencia, titulada: «La búsqueda de la partícula

divina llega a su fin. El CERN se dispone a anunciar el

descubrimiento». El artículo en sí no era ni mucho menos tan

espectacular como su titular, pero las implicaciones eran evidentes.



En viXra, un blog sobre física, alguien bajo el seudónimo de Alex

comentó sucintamente: «El rumor del día es este: Higgs de 125 GeV

alrededor de 2-3 sigmas», lo que llevó a otros comentaristas a

especular sobre las implicaciones teóricas.

Alex podía ser cualquiera, por supuesto, desde un gamberro

adolescente en Mumbai que disfrutara manipulando a los físicos de

partículas al propio Peter Higgs. Pero numerosos blogs y artículos

online señalaban en la misma dirección: esa no sería una

actualización cualquiera, habría importantes noticias sobre el

Higgs... quizá incluso el anuncio del descubrimiento que tanto

tiempo llevábamos esperando.

El CMS y el ATLAS, las dos enormes colaboraciones experimentales

del LHC, son sendas repúblicas en miniatura, en las que los

ciudadanos eligen a los líderes que los representan. El cargo más

alto se denomina simplemente «portavoz». Para garantizar que la

colaboración habla con una sola voz, la preparación y la

comunicación de nuevos resultados se lleva a cabo bajo un férreo

control (no solo las publicaciones oficiales, sino incluso el contenido

de las charlas que den los miembros de los experimentos han de

pasar un minucioso escrutinio). Son los portavoces quienes toman

la palabra en charlas tan importantes como estas. En diciembre de

2011, ambos portavoces eran italianos: Fabiola Gianotti, miembro

del personal del CERN, lideraba el ATLAS, mientras que Guido

Tonelli, de la Universidad de Pisa, estaba a la cabeza del CMS.

Gianotti es una referencia en la física de partículas experimental,

una de las cien mujeres científicas más importantes de todo el



mundo, según The Guardian. Había llegado a este campo

relativamente tarde, como estudiante universitaria, después de

haberse interesado principalmente por el latín, el griego, la historia

y la filosofía en el instituto, y de haberse dedicado a fondo al estudio

del piano en el conservatorio. Fue la explicación que dio uno de sus

profesores del efecto fotoeléctrico —la hipótesis de Einstein de que la

luz siempre está compuesta de paquetes discretos cuantizados— la

que despertó su interés por la física. Y ahora lideraba uno de los

mayores proyectos científicos de todos los tiempos, a punto de

descubrir una pieza fundamental del rompecabezas de la

naturaleza. Cuando le pidieron que explicase la importancia de esta

búsqueda, Gianotti no dudó en recurrir al lenguaje poético: «El

conocimiento fundamental es como el arte.

Tiene mucho que ver con el espíritu, el alma, la mente de hombres y

mujeres, como seres inteligentes que somos».

Ambos oradores tenían noticias emocionantes que comunicar, pero

lo hicieron con la mayor de las cautelas. Había indicios. El ATLAS,

en particular, había observado algunas evidencias que parecían

compatibles con un Higgs de unos 125 GeV. En física de partículas

es frecuente que aparezcan y desaparezcan «evidencias» de cosas

extrañas, pero esta no era una cosa cualquiera: se trataba de la

señal que cabía esperar de la desintegración de bosones de Higgs,

una vez descartado casi cualquier otro lugar donde podría existir.

Cuando has perdido las llaves y las has buscado prácticamente por

todos lados, no debería sorprenderte que aparezcan en el último

lugar que te quedaba por rastrear. Para colmo, el CMS también



vislumbró una señal con una masa muy similar. De nuevo, nada

extraordinario por sí solo, pero, habida cuenta de los resultados del

ATLAS, más que suficiente para que la sala entera se pusiese a

murmurar.

Gianotti puso todo de su parte para contener el entusiasmo: «Es

demasiado pronto para saber si este exceso se debe a una

fluctuación de fondo o a algo más interesante». Después expresó el

mismo sentimiento de manera más coloquial, con ayuda de un

proverbio italiano: «No vendamos la piel del oso antes de cazarlo».

Pero la piel ya estaba vendida y ya se le había hecho hueco en el

salón a la alfombra mucho antes de que cazasen al oso. Puede que,

estadísticamente, los resultados de diciembre no fuesen nada

extraordinarios, pero encajaban perfectamente con lo que los físicos

esperaban observar si existiese un Higgs de 125 GeV. Parecía tan

solo cuestión de tiempo que nuevos datos provenientes del LHC nos

sacasen de dudas. Y ese tiempo fue más breve de lo que cualquiera

hubiera podido imaginar.

§. Lo que entra

Detengámonos un momento y pensemos en lo que se necesita para

descubrir el bosón de Higgs, o simplemente para encontrar

sugerentes evidencias de su existencia. Simplificando las cosas

(quizá incluso demasiado), podemos reducirlo a un proceso de tres

pasos:

1. Crear bosones de Higgs.

2. Detectar las partículas en las que se desintegran.



3. Convencernos de que las partículas provienen realmente del

Higgs, y no de otra cosa distinta.

Examinemos los pasos uno por uno.

Conocemos la idea fundamental para crear bosones de Higgs:

acelerar protones a altas energías en el LHC, hacer que choquen

entre sí dentro de uno de los detectores y confiar en que se

produzca un Higgs. Hay más detalles, por supuesto. Podemos

confiar en que se producirán bosones de Higgs cuando alcancemos

energías muy elevadas porque E = mc2 nos dice que cabe la

posibilidad de que se creen partículas muy pesadas. Pero pensar

que existe una posibilidad es muy distinto de tener la certeza de que

sucederá. ¿Cuáles son los procesos precisos por los cuales podemos

esperar que se creará el Higgs?

Lo primero que le viene al lector a la mente es: «Bueno, los protones

chocan entre sí y sale un Higgs». Pero si lo piensa un poco más

recordará que los protones están compuestos de quarks y gluones,

por no hablar de las antiquarks virtuales. Por lo tanto, deben ser las

combinaciones de quarks y gluones las que colisionan para dar

lugar al Higgs. A continuación recuerda que en el capítulo 7 he

hablado de las leyes de conservación (magnitudes como la carga

eléctrica, el número de quarks o el de leptones, que permanecen

invariables en todas las interacciones de partículas que conocemos).

Así que no puede suceder, por ejemplo, que se forme un Higgs a

partir de la colisión únicamente de dos quarks up. El Higgs tiene

carga eléctrica nula, mientras que la de cada quark es +2/3, de



manera que los números no cuadran. Para colmo, los dos quarks up

nos dan un número total de quarks de 2, mientras que el Higgs

tiene un número de quarks igual a cero, por lo que eso tampoco

cuadra. Si fuesen un quark y un antiquark los que chocasen, aún

cabría alguna posibilidad.

¿Y qué hay de los gluones? La respuesta rápida es: «Sí, dos gluones

pueden combinarse para crear un Higgs», pero la respuesta por

extenso es algo más complicada. Recuerde que la función del campo

de Higgs (o una de las funciones, al menos) es proporcionar masa a

otras partículas. Cuanto más interactúe con un objeto, más masa

acaba teniendo este. Lo contrario también es cierto: el Higgs

interactúa de buena gana con las partículas pesadas, le cuesta más

hacerlo con las más ligeras, y no interactúa directamente en

absoluto con las partículas sin masa, como los fotones y los

gluones. Pero, gracias a la magia de la teoría cuántica de campos,

puede hacerlo de manera indirecta. Los gluones no interaccionan

directamente con el Higgs, pero sí lo hacen con los quarks, que a su

vez interactúan con el Higgs. De manera que la colisión de dos

gluones puede producir un Higgs, con los quarks como paso

intermedio.

Los físicos de partículas han desarrollado un formalismo muy

detallado y rigurosamente probado para entender cómo interactúan

las partículas entre sí. Richard Feynman, el brillante físico, ganador

del premio Nobel, inventó un método extraordinariamente útil para

llevar la cuenta de todas estas interacciones: los diagramas de

Feynman. Se trata de pequeñas viñetas de la interacción y la



evolución temporal de las partículas hasta dar lugar a otras

partículas. Los bosones portadores de las fuerzas se dibujan como

líneas onduladas; los fermiones, como líneas continuas; y el Higgs

como una línea de puntos. Partiendo de un conjunto fijo de

interacciones fundamentales, y mezclando y combinando sus

correspondientes diagramas, se pueden calcular todas las maneras

distintas de producir partículas o de convertirlas unas en otras.

Por ejemplo, podemos partir de dos gluones, representados por

líneas onduladas. Estas vibraciones del campo gluónico provocan

vibraciones en los campos de quarks, que podemos imaginar como

pares quark-antiquark. Puesto que, en cada caso, hay un quark y

un antiquark, la carga y el número total de quarks es cero, lo que

cuadra con la situación de partida. Estos quarks son partículas

virtuales, que desempeñan un papel fundamental como

intermediarios pero están condenadas a desaparecer antes de que

puedan ser observadas en un detector de partículas. Cuando se

encuentran, uno de los pares quark-antiquark se aniquila

mutuamente, mientras que el otro produce un bosón de Higgs.

Todos los tipos de quark contribuyen a este proceso, aunque los

quarks top lo hacen en mayor medida, puesto que (al ser el sabor de

quark más pesado) interactúan más intensamente con el Higgs.

Todo esto se podría describir con precisión mediante un par de

líneas de imponentes fórmulas matemáticas. O bien se puede

reflejar con elegancia en un único y simpático diagrama.



Diagrama de Feynman que representa la unión de dos gluones para

crear un bosón de Higgs, con un paso intermedio de quarks virtuales.

Los diagramas de Feynman constituyen una manera divertida y

sugerente de plasmar las posibilidades que se pueden dar cuando

las partículas entran en interacción. Sin embargo, los físicos los

emplean para la prosaica tarea de calcular la probabilidad cuántica

de que la interacción representada tenga lugar. Cada diagrama se

corresponde con un número, que se puede calcular siguiendo una

serie de reglas sencillas, que sin embargo pueden resultar confusas

a primera vista. Por ejemplo, una partícula que retrocede en el

tiempo cuenta como una antipartícula, y viceversa. Cuando dos

partículas se unen para dar lugar a una tercera (o una se desintegra

en dos), la energía total y el resto de las magnitudes conservadas

deben compensarse. Pero las partículas virtuales —las que se

mueven en el interior del diagrama pero no forman parte de los

productos iniciales ni de los finales— no tienen por qué tener la

misma masa que poseería una partícula real. La manera correcta de

entender el diagrama anterior es que dos vibraciones en el campo

gluónico se unen y dan lugar a una vibración en el campo de Higgs.



Lo que observamos en la práctica son dos gluones que se unen para

crear un bosón de Higgs.

La primera persona en darse cuenta de que la «fusión de gluones»

era una forma prometedora de crear bosones de Higgs fue Frank

Wilczek, el físico teórico estadounidense que había sido uno de los

pioneros en la comprensión de las interacciones fuertes (trabajo que

llevó a cabo en 1973, mientras estudiaba el doctorado, y por el que

acabaría compartiendo el premio Nobel). En 1977 era profesor en

Princeton, pero durante el verano pasó un tiempo de visita en el

Fermilab. Incluso los más grandes pensadores han de preocuparse

por los problemas mundanos de la vida cotidiana, y en esta ocasión

Wilczek había pasado todo el día cuidando de su mujer, Betsy

Divine, y de su pequeña, Amity, ambas enfermas. Una vez que las

dos se quedaron dormidas, Wilczek salió a pasear por los terrenos

del Fermilab para pensar en física. Ya por aquel entonces empezaba

a estar claro que, en palabras del propio Wilczek, el Modelo

Estándar era, a grandes rasgos, «cosa hecha», pero que las

propiedades del bosón de Higgs aún estaban relativamente por

descubrir. El trabajo de su tesis doctoral le había llevado a

encariñarse con los gluones y sus interacciones, y durante su paseo

cayó en la cuenta de que los gluones constituían una estupenda

manera de producir bosones de Higgs (y de que estos a su vez

podían desintegrarse dando lugar a gluones). He aquí que, treinta y

cinco años más tarde, este proceso es la manera más importante

que tiene el LHC de producir bosones de Higgs. Durante esa misma

caminata, a Wilczek también se le ocurrió la idea del «axión», un



hipotético pariente del Higgs de menor masa que ahora se ha erigido

en un prometedor candidato para constituir la materia oscura del

universo. He aquí una demostración de lo importantes que pueden

ser los paseos largos y tranquilos para el progreso de la física.

En el apéndice 3 comentaré las distintas maneras en que las

partículas pueden interactuar según el Modelo Estándar y los

diagramas de Feynman correspondientes a cada una de ellas; no

con tanta profundidad como para que pueda obtener un doctorado

en física, pero espero que sí con el suficiente detenimiento como

para que comprenda la idea general. Una cosa debe quedar clara: es

un poco lioso. Es muy fácil decir: «Hacemos que choquen los

protones y esperamos a que salga un Higgs», pero sentarse y hacer

los cálculos cuidadosamente es muy laborioso. A fin de cuentas,

una variedad de procesos contribuye a la creación de los bosones de

Higgs en el LHC: la fusión de dos gluones, como acabamos de ver;

análogamente, la fusión de un W+ con un W-, o de dos bosones Z, o

de un quark y un antiquark; y la producción de un W o de un Z que

emiten un Higgs antes de proseguir su camino. Los detalles

dependen de la masa del Higgs, así como de la energía de las

colisiones originales. El cálculo de los procesos relevantes mantiene

ocupados a tiempo completo a los físicos teóricos.

§. Lo que sale

¿Conque has producido un bosón de Higgs? ¡Enhorabuena! Ahora

viene la parte complicada: ¿cómo sabes que lo has creado?

Las partículas pesadas tienden a desintegrarse, y el Higgs es



realmente muy pesado. La vida media del Higgs se estima en algo

menos de un zeptosegundo (10-21 segundos), lo que significa que

recorre menos de una milmillonésima de milímetro desde que se

crea hasta que se desintegra. Ni siquiera con los detectores de

última generación que hay en el interior del ATLAS y el CMS hay

manera de observarlo. Pero sí podemos ver en qué se desintegra el

Higgs.

También veremos las cosas en las que se desintegran otras

partículas distintas del Higgs. Lo difícil es distinguir la minúscula

señal de la enorme cantidad de ruido de fondo.

El primer paso es calcular exactamente en qué se desintegrará el

Higgs, y con qué frecuencia. Por lo general, el Higgs tiende a

acoplarse con partículas pesadas, por lo que cabría esperar que se

desintegre fundamentalmente en quarks top y bottom, bosones W y

Z y en el leptón tau, y no tanto en partículas más ligeras, como los

quarks up y down o los electrones. Y eso es básicamente correcto,

aunque hay algunas sutilezas (ya sabía que sería así...).

Por una parte, el Higgs no puede desintegrarse en algo más pesado

que él. Sí puede transformarse temporalmente en partículas

virtuales pesadas que a su vez se desintegren, pero los procesos

como ese son muy poco probables si las partículas virtuales son

mucho más pesadas que el Higgs original. Si el Higgs pesase 400

GeV, podría perfectamente desintegrarse en un quark top y un

antitop, que pesan cada uno 172 GeV. Pero para una masa más

realista de 125 GeV, los quarks top quedan fuera del alcance del

Higgs, y los quarks bottom constituyen el modo de desintegración



preferido. Este es uno de los motivos por los que las versiones más

pesadas del Higgs (de hasta 600 GeV) habrían sido de hecho más

fáciles de detectar, incluso aunque se necesitase más energía para

crearlas: la proporción de desintegración en partículas pesadas sería

mucho más elevada.

La figura representa un gráfico circular con la proporción

aproximada de los distintos modos de desintegración de un bosón

de Higgs de 125 GeV de masa, de acuerdo con el Modelo Estándar.

El Higgs se desintegrará en un quark bottom y un antibottom la

mayor parte de las veces, pero hay otras posibilidades importantes.

Aunque este valor de la masa del Higgs lo hace difícil de detectar,

una vez que lo conseguimos hay muchísima física interesante por

estudiar. Podemos medir cada modo de desintegración por separado

y compararlo con las predicciones, y cualquier desviación será señal

de la física que existe más allá del Modelo Estándar, tal como

partículas adicionales o interacciones inusuales.

Incluso hemos visto indicios de que estas desviaciones podrían de

hecho existir.

Pero aún nos queda mucho trabajo por hacer. Recuerde nuestra

discusión sobre los detectores de partículas del capítulo 6, donde

hemos visto cómo las distintas capas de la cebolla experimental nos

permitían identificar a las diferentes partículas: electrones, fotones,

muones y hadrones. Y ahora vuelva a mirar el gráfico. Más del 99

por ciento de las veces, el Higgs se desintegra en cosas que no

observamos directamente en los detectores. Más bien, el Higgs se

desintegra en algo, que a su vez se desintegra (o se transforma) en



algo distinto, y es esto último lo que acabamos detectando. Lo cual

hace que nuestra vida sea más complicada, o más interesante,

dependiendo de cómo lo mire.

Probabilidad de que un bosón de Higgs de 125 GeV de masa se

desintegre en distintas partículas. Los números no suman

exactamente el 100 por ciento debido a los redondeos.

Alrededor del 70 por ciento de las veces, el Higgs decae en quarks

(bottom- antibottom o charm-anticharm) o en gluones. Estas son

partículas con color, que no se observan por separado. Cuando se

producen, las interacciones fuertes intervienen y crean una nube de

quarks/antiquarks/gluones que se condensan en chorros de

hadrones. Dichos chorros son los que detectamos en los

calorímetros. El problema —y es un gran problema— es que hay

muchos otros procesos que producen chorros como esos. Si

hacemos que choquen protones de alta energía, produciremos



montones de chorros, de los cuales solo una pequeña parte serán el

resultado de la desintegración de bosones de Higgs. Los

experimentalistas sin duda se esfuerzan al máximo por extraer

datos de una señal de este tipo, pero no es la manera más fácil de

detectar el Higgs. En el primer año completo de operación del LHC,

se estima que se produjeron más de 100.000 bosones de Higgs, pero

la mayoría de ellos se desintegraron en chorros que se perdieron en

la cacofonía de las interacciones fuertes.

Cuando el Higgs no se desintegra directamente en quarks o gluones,

suele hacerlo en bosones W, bosones Z o pares tau-antitau. Todos

estos son canales que es útil observar, pero los detalles dependen de

en qué se descompongan a su vez estas partículas con masa.

Cuando se producen pares de tau, por lo general se desintegran en

un bosón W con la carga apropiada más un neutrino tauónico, por

lo que la situación es en buena medida similar a lo que sucede

cuando el Higgs se desintegra directamente en bosones W. A

menudo, la desintegración de un W o un Z produce quarks, que dan

lugar a chorros, difíciles de discernir del fondo. No es imposible (los

experimentalistas prestan mucha atención a las desintegraciones

hadrónicas), pero tampoco se trata de un resultado limpio.

Sin embargo, en ocasiones los bosones W y Z pueden desintegrarse

exclusivamente en leptones. El W puede decaer para dar lugar a un

leptón cargado (electrón o muón) y a su neutrino correspondiente,

mientras que el Z puede desintegrarse directamente en un leptón

cargado y su antipartícula. Sin la interferencia de los chorros, estas

señales son relativamente limpias, aunque bastante poco



habituales. El Higgs se desintegra en dos leptones cargados

aproximadamente el 1 por ciento de las veces, y en cuatro leptones

con carga alrededor del 0,01 por ciento de las ocasiones.

Cuatro modos de desintegración prometedores para descubrir un

bosón de Higgs de 125 GeV. El Higgs puede desintegrarse en dos

bosones W, que a su vez (en ocasiones) decaen en electrones o

muones y sus neutrinos correspondientes. O puede desintegrarse en

dos bosones Z, que a continuación (en ocasiones) decaen en

electrones o muones y sus antipartículas. O puede desintegrarse en

un par tau-antitau, que después lo hace a su vez en neutrinos y otros

fermiones. O puede hacerlo también en alguna partícula cargada que

a su vez se transforma después en dos fotones. Todos estos son

procesos poco habituales, pero relativamente fáciles de detectar en

los experimentos del LHC.



Cuando la desintegración del W da lugar a la creación de neutrinos,

la energía desaparecida hace que estos eventos sean difíciles de

identificar, pero no dejan de ser útiles. En los eventos en que se

forman cuatro leptones cargados a partir de la desintegración del Z

no hay energía desaparecida que emborrone la situación, por lo que

son los más buscados, aunque son tan poco habituales que es difícil

observarlos.

Y, a veces, gracias a una pequeña ayuda de las partículas virtuales

con carga eléctrica, el Higgs puede desintegrarse en dos fotones.

Como carecen de masa, los fotones no se acoplan directamente con

el Higgs, pero este puede primero producir una partícula cargada y

con masa, que a su vez se transforma en un par de fotones. Esto

sucede únicamente alrededor del 0,2 por ciento de las veces, pero es

en última instancia la señal más clara que podemos observar de un

Higgs de 125 GeV. La proporción es apenas bastante como para que

podamos obtener un número suficiente de eventos, y el ruido de

fondo es lo suficientemente pequeño como para que podamos

observar cómo la señal del Higgs se eleva por encima de él. La mejor

evidencia del Higgs que hemos podido obtener procede de los

eventos con dos fotones.

Este vertiginoso recorrido por las distintas formas de desintegración

del Higgs no es más que un repaso rápido de la enorme cantidad de

esfuerzo teórico invertido en comprender las propiedades del bosón

de Higgs. Un proyecto que comenzó en 1975 con un artículo seminal

de John Ellis, Mary K. Gaillard y Dimitri Nanopoulos, que

trabajaban por aquel entonces en el CERN, en el que investigaban



cómo se podrían producir y detectar bosones de Higgs. Desde

entonces, un gran número de trabajos han profundizado en el

asunto, incluido un libro entero, titulado The Higgs Hunter ‟s Guide,

de John Gunion, Howard Haber, Gordon Kane y Sally Dawson, que

ha ocupado un lugar prominente en las estanterías de toda una

generación de físicos de partículas.

En los primeros tiempos había muchas cosas que aún no se

entendían sobre el Higgs. Su masa siempre fue un número

completamente arbitrario, que solo hemos conseguido determinar

gracias a la diligente labor de los físicos experimentales. En su

artículo, Ellis, Gaillard y Nanopoulos concentraron su atención en

masas de 10 GeV o menos. De haber estado en lo cierto, habríamos

encontrado el Higgs hace muchos años, pero la naturaleza no fue

tan amable con nosotros. Y no pudieron resistirse a rematar el

artículo con «una disculpa y un aviso»:

Pedimos disculpas a los experimentalistas por no tener ni idea

de cuál es la masa del bosón de Higgs [...] y por no estar

seguros de cuál es su grado de acoplamiento con otras

partículas, salvo por el hecho de que probablemente sea muy

pequeño. Por estos motivos, no pretendemos fomentar la

búsqueda experimental del Higgs a gran escala, pero sí

pensamos que quienes realizan experimentos susceptibles de

encontrar el bosón de Higgs deberían saber cómo y dónde

podría aparecer.

Por suerte, la búsqueda experimental a gran escala acabó



concitando los suficientes apoyos, aunque tuvo que pasar un

tiempo. Y ahora estamos obteniendo los frutos.

§. Alcanzar relevancia

Con frecuencia se dice que buscar el bosón de Higgs es como buscar

una aguja en un pajar, o en un enorme número de pajares. David

Britton, un físico de Glasgow que contribuyó a la construcción de la

red de computación del LHC en el Reino Unido, ofrece una analogía

mejor: «Es como buscar un puñado de paja en un pajar. Con la

diferencia de que, si buscas una aguja en un pajar, la reconoces

cuando la encuentras, porque es distinta de toda la paja. [...] La

única manera de hacerlo es coger todos y cada uno de los puñados

de paja del pajar, ponerlos uno detrás de otro y ver de pronto que

hay toda una serie de ellos que tienen la misma longitud. Eso es

exactamente lo que estamos haciendo».

Ese es el reto: los productos de cualquier desintegración individual

del bosón de Higgs, incluso cuando son partículas «de las buenas»,

como dos fotones o cuatro leptones, también podrían haberse

producido a través de otros procesos que no tienen nada que ver

con el Higgs (y, en la mayoría de las ocasiones, así será). No se trata

simplemente de que estemos buscando determinado tipo de evento,

sino que buscamos una cantidad ligeramente excesiva de eventos de

un determinado tipo. Es como si tuviésemos un pajar lleno de tallos

de paja de todos los tamaños, y lo que buscásemos fuese un ligero

exceso de los tallos de un determinado tamaño. No será cuestión de

examinar en detalle cada puñado, sino que habrá que recurrir a las



estadísticas.

Para hacernos una idea de hasta qué punto nos serán de utilidad

las estadísticas, empecemos con una tarea mucho más sencilla.

Tenemos una moneda, que si lanzamos al aire nos dará cara o cruz,

y queremos determinar si la moneda está «trucada» o no, es decir, si

la probabilidad de que salga cara y de que salga cruz es la misma,

del 50 por ciento. Para ello, no nos bastará con lanzar la moneda

dos o tres veces (con tan pocos intentos, ninguno de los resultados

posibles sería verdaderamente sorprendente). Cuantas más veces

lanzamos la moneda al aire, mayor es la precisión con la que

podremos determinar si está trucada o no.

Partimos de la «hipótesis nula», una manera elegante de decir que

«no sospechamos que suceda nada extraño». Para la moneda, la

hipótesis nula es que cada vez la probabilidad de que salga cara o

cruz es del 50 por ciento. En el caso del bosón de Higgs, la hipótesis

nula correspondiente es que todos los datos se han generado como

si no hubiese Higgs. A continuación, nos preguntamos si los datos

reales son consistentes con la hipótesis nula, es decir, si existe una

probabilidad razonable de que hubiésemos obtenido esos resultados

con una moneda aunque no estuviera «trucada», o sin que el Higgs

anduviese por ahí.

Imagine que lanzamos la moneda cien veces. (En realidad, deberían

ser muchas más, pero estamos un poco vagos.) Si la moneda fuese

perfectamente limpia, esperaríamos obtener cincuenta caras y

cincuenta cruces, o algo parecido. Por ejemplo, no nos sorprendería

obtener 52 caras y 48 cruces, pero si saliesen 93 caras y solo 7



cruces empezaríamos a desconfiar. Lo que nos gustaría es

cuantificar exactamente cuál debería ser nuestro grado de

desconfianza. Dicho de otro modo, ¿cuál debería ser la desviación

respecto del 50-50 para determinar que la moneda está trucada?

No existe una respuesta rápida y concluyente. Podríamos lanzar la

moneda mil millones de veces, obtener solo caras y, en principio,

podría ser porque hubiésemos tenido muchísima suerte. Así es

como funciona la ciencia. No «demostramos» los resultados, cosa

que sí se puede hacer en matemáticas o en lógica, sino que vamos

acumulando evidencias que avalan su verosimilitud. Una vez que

los datos difieren lo suficiente de lo que cabría esperar si fuese

cierta la hipótesis nula, la rechazamos y seguimos con nuestras

vidas, incluso aunque no hayamos alcanzado una certeza

metafísica.

Puesto que estamos considerando procesos que son inherentemente

probabilísimos, y que solo estudiamos un número finito de eventos,

no puede sorprendernos que nos desviemos del resultado ideal. De

hecho, podemos calcular cuál sería la desviación que cabría esperar

normalmente, que se denota con la letra griega sigma, escrita o.

Esto nos permite expresar de manera conveniente la magnitud de la

desviación que observamos en la práctica (¿cómo es de grande

respecto a sigma?). Si la diferencia entre la medición observada y la

predicción ideal es de dos veces la incertidumbre típica esperada,

diremos que tenemos un resultado de «dos sigmas».

Cuando realizamos la medida, la variabilidad del resultado predicho

suele tomar forma de campana, como se ve en la figura.



Intervalos de confianza al lanzar una moneda cien veces, cuyo valor

esperado es de 50, con una incertidumbre de sigma = 5. El intervalo

de un sigma va desde 45 a 55; el de tres sigmas, desde 35 a 65; y el

de cinco sigmas, desde 25 a 75.

Estamos representando la probabilidad de obtener distintos

resultados (en el ejemplo, el número de caras cuando lanzamos la

moneda cien veces). La curva tiene un pico en el valor más probable,

que en este caso es cincuenta, pero hay una dispersión natural

alrededor de dicho valor. Esta dispersión, la anchura de la

campana, es la incertidumbre en la predicción o, lo que es

equivalente, el valor de sigma. Cuando lanzamos la moneda cien

veces, sigma = 5, por lo que diríamos que: «Esperamos obtener cara

cincuenta veces, más menos cinco».

Lo bueno de tomar sigma como referencia es que se traduce en la

probabilidad de que obtuviésemos el resultado que efectivamente se

da (aunque la fórmula explícita es complicada y, por lo común, lo

que se hace es consultarla). Si lanzamos una moneda cien veces y



obtenemos entre 45 y 55 caras, decimos que estamos «en un sigma»,

lo que sucede el 68 por ciento de las veces. Dicho de otra manera,

una desviación de más de un sigma ocurre el 32 por ciento de las

veces (lo cual es bastante a menudo, por lo que una desviación de

un sigma no es nada extraordinario). No diríamos que la moneda

está trucada solo porque hemos obtenido 55 caras y 45 cruces al

lanzarla cien veces.

Cuanto mayor es el número de sigmas, más improbables son los

resultados (si la hipótesis nula es correcta). Si obtenemos sesenta

caras en cien lanzamientos, es una desviación de dos sigma, cosa

que solo sucede el 5 por ciento de las veces. Parece improbable, pero

no completamente inverosímil. No basta para rechazar la hipótesis

nula, aunque sí puede ser suficiente para levantar sospechas.

Obtener 65 caras supondría una desviación de tres sigmas, lo cual

se produce el 0,3 por ciento de las veces. Eso ya empieza a ser

bastante poco habitual, y ahora existen razones de peso para pensar

que algo raro está pasando. Si hubiésemos sacado 75 caras en cien

lanzamientos, sería un resultado de 5 sigmas, algo que solo sucede

una vez en un millón. Estaría entonces justificado pensar que no se

trata de una rareza estadística, sino que la hipótesis nula no es

correcta, la moneda está trucada.

§. La señal y el fondo

La física de partículas, puesto que se basa en la mecánica cuántica,

es muy parecida a lanzar monedas al aire: lo máximo que podemos

hacer es predecir probabilidades. En el LHC provocamos las



colisiones de protones y predecimos la probabilidad de que tengan

lugar distintas interacciones. En el caso particular de la búsqueda

del Higgs, tenemos en cuenta diferentes «canales», cada uno de los

cuales se define por las partículas que se capturan en el detector:

está el canal de dos fotones, el de dos leptones, el de cuatro

leptones, el de dos chorros y dos leptones, etcétera. En cada caso,

sumamos la energía total de las partículas resultantes y la

maquinaria de la teoría cuántica de campos (con la ayuda de las

mediciones experimentales) nos permite predecir cuántos eventos

esperamos observar a cada energía, que normalmente forman una

curva continua.

Esa es la hipótesis nula, lo que esperamos sin ningún bosón de

Higgs. Si existe un Higgs de una determinada masa, su principal

efecto es el de aumentar el número de eventos que cabría esperar a

la energía correspondiente: un Higgs de 125 GeV de masa da lugar a

partículas adicionales cuya energía total será de 125 GeV, por

ejemplo. Crear un Higgs y dejar que se desintegre constituye un

mecanismo (además de todos los procesos en los que no interviene

el Higgs) para producir partículas cuyo valor total de la energía

coincide típicamente con el de la masa del Higgs, lo que da lugar a

unos pocos eventos adicionales por encima del fondo. Así que

salimos a la búsqueda de «protuberancias», de desviaciones notables

respecto a la curva continua que veríamos si el Higgs no estuviese

ahí.

Predecir cómo sería el fondo que cabría esperar no es una tarea en

absoluto sencilla. Conocemos el Modelo Estándar, por supuesto,



pero el mero hecho de conocer la teoría no implica que sea fácil

hacer predicciones. (El Modelo Estándar también describe la

atmósfera terrestre, pero no por ello es fácil hacer previsiones

meteorológicas.) Los potentes programas informáticos de que

disponemos hacen todo lo que pueden para simular los resultados

más probables de las colisiones entre protones, y esos resultados se

aplican sobre una simulación de los propios detectores. Aun así,

reconocemos de buena gana que hay tasas de ocurrencia que es

más fácil medir que predecir. De manera que, con frecuencia, lo

mejor es llevar a cabo un análisis «ciego», esto es, utilizar algún

método para disimular los datos reales que nos interesan, ya sea

añadiendo datos ficticios o simplemente evitando fijarnos en

determinados eventos, y después esforzarnos al máximo por

entender los aburridos datos de las demás regiones. Solo después

de haber alcanzado la mejor comprensión posible «abrimos la caja» y

estudiamos los datos en los que podríamos encontrar la partícula

que buscamos. Un procedimiento como este contribuye a garantizar

que no vemos cosas solo porque queremos verlas, que solo las

vemos si efectivamente están ahí.

Pero esto no siempre fue así. En su libro Nobel Dreams, el periodista

Gary Taubes narra la historia del trabajo de Cario Rubbia a

principios de la década de 1980, que le llevó a descubrir los bosones

W y Z, y por el que recibió el premio Nobel, así como sus intentos

infructuosos de obtener un segundo premio Nobel por encontrar

física más allá del Modelo Estándar. Una de las herramientas que

empleó en sus análisis el equipo de Rubbia fue el Megatek, un



sistema informático capaz de representar los datos de las colisiones

de partículas y permitir que el usuario rotase la imagen en tres

dimensiones utilizando un joystick. Los lugartenientes de Rubbia, el

estadounidense James Rohlf y el inglés Steve Geer, se convirtieron

en unos maestros del Megatek. Con un vistazo a un evento, eran

capaces de darle un par de vueltas, seleccionar los rastros de

partículas importantes y afirmar con confianza que estaban viendo

un W, un Z o un tau. «Disponemos de todo este poder de

computación —decía Rubbia—, pero el propósito de esta enorme

capacidad de análisis de los datos, el resultado fundamental, es

permitir que sea el ser humano quien dé la respuesta final. Es

James Rohlf, al observar el p**o evento, quien decidirá si es un Z o

no.» Las cosas han cambiado. Ahora disponemos de muchos más

datos, pero la única manera de comprender realmente lo que

estamos viendo es dejando que sea el ordenador el que los analice y

decida por nosotros.

Siempre que algún supuesto resultado experimental levanta

expectación, la primera pregunta que habría que hacerse es:

«¿Cuántos sigmas?». En física de partículas, con los años se ha ido

consolidando un estándar informal según el cual una desviación de

tres sigmas se considera «evidencia» de que algo sucede, mientras

que se requiere una desviación de cinco sigmas para poder afirmar

que algo se ha «descubierto». Puede parecer excesivamente exigente,

puesto que un resultado de tres sigmas ya es algo que sucede solo el

0,3 por ciento de las veces. Pero la manera correcta de entenderlo es

esta: si observamos trescientas mediciones distintas, es probable



que una de ellas sea una anomalía de tres sigmas solo por mera

casualidad. Así que es buena idea exigir cinco sigmas.

En los seminarios de diciembre de 2011, el pico cerca de los 125

GeV tenía una relevancia de 3,6 sigmas en los datos del ATLAS, y de

2,6 sigmas en los del CMS (que son completamente independientes).

Datos sugerentes, pero no lo suficiente para afirmar que se había

descubierto algo. En contra de la relevancia del resultado se

manifestaba el «efecto look-elsewhere» («mirar a otro lado»), que se

resume en que, como acabamos de comentar, es probable encontrar

grandes desviaciones si se estudian muchas mediciones posibles

distintas, cosa que los experimentos del LHC sin duda hacían. Pero,

por otra parte, el hecho de que ambos experimentos observasen

protuberancias en el mismo sitio era algo extremadamente

sugerente. Teniéndolo todo en cuenta, la opinión de la comunidad

era que los experimentos probablemente iban por buen camino, y

que probablemente estábamos viendo los primeros atisbos del

Higgs, pero que solo con más datos saldríamos de dudas.

Cuando en las predicciones que intentamos comprobar intervienen

probabilidades, nunca se insiste lo suficiente en la importancia de

acumular la mayor cantidad de datos posible. Pensemos de nuevo

en el ejemplo de lanzar la moneda al aire. Si solo la hubiésemos

lanzado cinco veces en lugar de cien, la mayor desviación posible

respecto al valor esperado habría consistido en sacar todo caras (o

todo cruces). Pero la probabilidad de que eso suceda es superior al 6

por ciento. De manera que, incluso para una moneda

completamente trucada, ni siquiera podríamos decir que existe una



desviación de dos sigmas respecto a una moneda limpia. En Cosmic

Variance, un blog comunitario en el que colaboro, que forma parte

del sitio web de la revista Discover, publiqué una entrada la víspera

de los seminarios del CERN, titulada «Lo que no se anunciará

mañana: El descubrimiento del bosón de Higgs». No es que tuviese

información privilegiada, sino que todos sabíamos el volumen de

datos que el LHC había generado hasta ese momento, y

simplemente no era suficiente para afirmar que se había producido

el descubrimiento del Higgs con cinco sigmas. Habría que esperar a

acumular más datos.

§. Cazamos el oso

La sensación general entre los físicos fue de que, si los indicios de

2001 eran señal de algo real, los datos recopilados en 2012 serían

suficientes para superar el umbral mágico de los cinco sigmas

necesario para poder hacer público el descubrimiento. Sabíamos

cuántas colisiones se estaban produciendo en el LHC, y la sensación

en todo el mundo era que estaríamos en condiciones de comunicar

el descubrimiento (o una decepción desoladora) un año más tarde,

en diciembre de 2012.

Tras la parada invernal de cada año, el LHC retomó la recopilación

de datos en febrero. La Conferencia Internacional sobre Física de

Altas Energías (ICHEP, International Conference on High Energy

Physics), en Melbourne, estaba programada para principios de julio,

y ambos experimentos pensaban ofrecer información actualizada de

sus progresos en la reunión. Las condiciones en 2012 eran algo



distintas de las de 2011, por lo que no era del todo evidente a qué

ritmo se producirían los avances. Además, estaban utilizando

energías más altas —8 TeV, en lugar de 7 TeV— y una mayor

luminosidad, por lo que estaban obteniendo más eventos por

segundo.

Estas dos cosas parecen mejoras, y lo son, pero también suponen

complicaciones añadidas. Una energía más alta implica tasas de

interacción ligeramente diferentes, lo que a su vez acarrea que varíe

ligeramente el número de eventos de fondo, cosa que obliga a

calibrar los nuevos datos por separado respecto a los datos

antiguos. Una mayor luminosidad significa que hay más colisiones,

pero muchas de estas colisiones se producen simultáneamente en el

detector, lo cual da lugar al efecto conocido como «pileup»: se

observan un montón de rastros de partículas, pero cuesta mucho

determinar cuáles proceden de cada colisión. Es un problema que

da gusto tener, aunque no deja de ser algo que hay que resolver, y

eso lleva tiempo.

La ICHEP es un importante evento internacional, y un escenario

lógico en el que ofrecer información actualizada sobre el progreso de

la búsqueda del Higgs una vez que se hubiesen empezado a recibir

los nuevos datos a energías más elevadas. Lo que la gente esperaba

escuchar era que la máquina estaba funcionando a pleno

rendimiento y que, idealmente, la relevancia estadística de los

indicios de diciembre estaba aumentando, y no disminuyendo.

Estaba previsto que el LHC hiciese una pausa en la recogida de

datos a principios de julio para unas tareas de mantenimiento



ordinarias, y se había elegido ese momento como un punto natural

en el que revisar los datos con detenimiento para ver lo que

contenían.

Ambos experimentos estaban analizando sus datos a ciegas. La

«caja» que contenía los datos reales de la región de interés se abrió el

15 de junio, lo que daba a los experimentalistas un plazo de tres

semanas para averiguar qué era lo que tenían y cómo lo

presentarían en Melbourne.

Los rumores empezaron a circular casi de inmediato. Eran algo más

vagos de lo que lo habían sido en diciembre, lo cual es

comprensible: los propios experimentalistas se las deseaban para

entender qué era lo que tenían entre manos. Al final, creo que

ninguno de los rumores acertó exactamente con el resultado. Pero la

idea general era clara: estaban viendo algo grande.

Lo que estaban viendo era, evidentemente, una nueva partícula: el

Higgs, o algo bastante parecido. Bastaba con echar un vistazo

rápido a los datos para entenderlo. La expectación aumentó

inmediatamente: una mera actualización no iba a ser suficiente

para presentar los datos al público. O hay descubrimiento o no. Y si

lo hay, no se anuncia a media voz, sino que se pregona a los cuatro

vientos.

Mientras los subgrupos dentro de cada experimento analizaban

frenéticamente los datos de los distintos canales, los responsables

discutían cómo difundir la noticia. Por una parte, estaba previsto

que ambos experimentos ofreciesen su información actualizada en

Melbourne, y cancelar el acto sería algo impropio. Por otra parte, en



el CERN había cientos de físicos que no iban a volar a la otra punta

del mundo, y ese día era tan suyo como de cualquier otro. Al final,

se acordó una solución intermedia: cada experimento ofrecería un

seminario el primer día de la conferencia, pero los seminarios

tendrían lugar en Ginebra y se retransmitirían en directo en

Australia.

Por si eso no fuese suficiente para convencer a las personas ajenas

al CERN de que habría noticias importantes, enseguida se propagó

el rumor de que el CERN estaba invitando a grandes personalidades

para que estuviesen presentes en los seminarios. Peter Higgs, que

entonces tenía ochenta y tres años, se encontraba en una escuela

de verano en Sicilia, y tenía previsto volver a Edimburgo, pues su

seguro de viaje había caducado, y además no llevaba francos suizos

consigo. Pero cambió sus planes cuando John Ellis, eminente

teórico del CERN y experto desde hace mucho tiempo en el bosón de

Higgs, le dejó el siguiente mensaje telefónico: «Díganle a Peter que si

no viene al CERN el miércoles es muy probable que se arrepienta de

ello». Así que acudió, como también lo hicieron François Englert,

Gerald Guralnik y Cari Hagen, los otros teóricos que habían sido los

primeros en desarrollar el mecanismo de Higgs.

En diciembre de 2011, yo estaba en California y me perdí los

seminarios, que empezaban a las cinco de la madrugada hora del

Pacífico, porque estaba durmiendo. Pero en julio de 2012 conseguí

comprar un billete de avión a Ginebra y estaba en el CERN para el

gran día. Como muchos otros, corrí de un edificio a otro en el

laboratorio, tratando de obtener mis credenciales. En un momento



dado tuve que hacer uso de mi facilidad de palabra para convencer

a un guardia de seguridad para que me dejase volver a entrar en un

edificio del que acababa de salir, explicándole que se me hacía

tarde. «¿Por qué tiene todo el mundo tanta prisa hoy?», me

preguntó.

Como en diciembre, cientos de personas (en su mayoría jóvenes)

llevaban haciendo cola desde la noche anterior para conseguir un

buen asiento en el auditorio. De nuevo, fue Gianotti la que habló en

nombre del ATLAS, pero el mandato de Tonelli como portavoz del

CMS había llegado a su fin, y quien habló fue su sucesor, Joe

Incandela, de la Universidad de California, en Santa Bárbara.

Incandela y Gianotti se habían curtido trabajando juntos en el UA2,

uno de los detectores del anterior colisionador de hadrones del

CERN, y habían buscado el bosón de Higgs en los datos de ese

experimento. Ahora estaban a punto de ver los frutos de tantos años

de búsqueda.

Todos los que se encontraban en la sala sabían que no se habría

armado tanto alboroto si la señal se hubiese desvanecido. La

cuestión principal era saber cuántos sigmas. Entre los rumores y

las estimaciones a vuelapluma, la opinión mayoritaria se inclinaba

por que cada experimento habría alcanzado una relevancia de

cuatro sigmas, pero no habría logrado llegar a los cinco. Sin

embargo, combinarlos ambos nos permitiría superar el umbral de

los cinco sigmas. Pero combinar los datos de dos experimentos

diferentes es mucho más complicado de lo que parece, y se pensaba

que no habría dado tiempo a hacerlo en las últimas tres semanas.



No era tampoco despreciable la preocupación de que una vez más

nos quedásemos con la miel en los labios, pero no fuésemos capaces

de confirmar el descubrimiento.

No obstante, la preocupación resultó ser en vano. Incandela, que fue

el primero en hablar, repasó uno por uno los distintos canales

analizados por el CMS. Primero, los eventos de dos fotones que

mostraron un pico notable justo donde lo esperábamos, en 125

GeV. La relevancia era de 4,1 sigmas. Más que el año anterior, pero

insuficiente para un descubrimiento. Después vinieron los eventos

con cuatro leptones cargados, que resultan de la desintegración del

Higgs en dos bosones Z. Otro pico, en el mismo lugar, esta vez de

3,2 sigmas de relevancia. En su sexagésimo cuarta transparencia,

Incandela reveló lo que se obtiene al combinar esos dos canales: 5,0

sigmas. Se acabó. Lo habíamos encontrado.

Gianotti, como Incandela, hizo especial hincapié en agradecer el

trabajo de todos los que contribuían a mantener el LHC en

funcionamiento, e insistió en el cuidado con el que los miembros del

ATLAS habían analizado sus datos. Cuando llegó a los resultados

para los dos fotones, de nuevo se observó un pico evidente en 125

GeV. En este caso, la relevancia era de 125 GeV. Los resultados

para los cuatro leptones siguieron en la misma línea: un pico

pequeño pero discernióle, con una relevancia de 3,4 sigmas. Al

combinarlos ambos, la relevancia total que se obtenía era de

exactamente 5,0 sigmas. Al finalizar su exposición, Gianotti dio las

gracias a la naturaleza por poner el Higgs allí donde el LHC pudiese

encontrarlo.



Según el ATLAS, la masa del Higgs era de 126,5 GeV, mientras que

en el CMS esta era de 125,3 GeV. Pero ambos resultados coincidían,

dentro del margen de error experimental. El CMS analizó más

canales, además de los de dos fotones y cuatro leptones, y en

consecuencia su relevancia final acabó disminuyendo ligeramente,

hasta los 4,9 sigmas. Pero, de nuevo, eso es consistente con la

imagen general. La concordancia entre ambos resultados era

asombrosa, y de una importancia fundamental. Si el LHC solo

hubiese tenido un único detector dedicado a buscar el Higgs, la

comunidad física habría tenido muchas más dudas a la hora de

aceptar los resultados sin más. Con dos detectores, las dudas se

disiparon. Era un descubrimiento.

Una vez finalizados los seminarios, Peter Higgs se emocionó. Más

tarde, lo explicó así: «Durante las charlas conseguí mantener la

tranquilidad, pero cuando el seminario terminó era como estar

viendo un partido de fútbol en el que el equipo local consigue la

victoria. La gente se puso en pie para aplaudir a los oradores, hubo

vítores y pataleos. Fue como si una ola me derribase». Después del

acto, en la sala de prensa, los periodistas trataron de sacarle algún

comentario más, pero rehusó, diciendo que en un día como ese toda

la atención debía concentrarse en los experimentalistas.

Retrospectivamente, muchas cosas salieron bien en la primera

mitad de 2012 para hacer posible que el descubrimiento del Higgs

se produjese antes de lo que casi todo el mundo esperaba. El LHC

estaba trabajando a pleno rendimiento, recopilando más eventos en

unos pocos meses que en todo 2011. El pileup era un problema,



pero los analistas de datos lo superaron heroicamente, y la inmensa

mayoría de los eventos se reconstruyeron satisfactoriamente. El

hecho de que la energía fuese más alta hizo que aumentase el ritmo

de producción de bosones de Higgs. Y los equipos habían

perfeccionado sus procedimientos de análisis, consiguiendo extraer

de sus datos más relevancia que nunca. Todas estas mejoras

hicieron que, para los físicos de partículas, la Navidad se adelantase

a julio.

§.¿Qué es?

Tras los seminarios, Incandela reflexionaba: «Solemos pensar que,

una vez que hemos descubierto algo, ese es el final. Lo que he

aprendido en la ciencia es que casi siempre es el principio. Casi

siempre hay algo muy grande a la vuelta de la esquina, a nuestro

alcance, y tenemos que perseguirlo. ¡No podemos bajar la guardia!».

No cabe duda de que el CMS y el ATLAS han encontrado una nueva

partícula. Y apenas cabe duda de que la nueva partícula se parece

al bosón de Higgs: sus tasas de desintegración a través de los

distintos canales coinciden aproximadamente con lo que el Modelo

Estándar nos permite estimar para un Higgs de 125 GeV de masa.

Pero hay motivos de sobra para plantearse si este es realmente el

Higgs más sencillo posible, o algo más sutil. En los datos hay

pequeños indicios que podrían indicar que esta nueva partícula no

es simplemente el Higgs mínimo. Es demasiado pronto para saber si

dichos indicios son reales, podrían perfectamente desvanecerse,

pero lo que sí sabemos a ciencia cierta es que los experimentos



seguirán indagando para averiguar qué es lo que sucede realmente.

Recuerde que las partículas no aparecen en el detector llevando una

etiqueta. Cuando decimos que hemos encontrado algo compatible

con un bosón de Higgs, nos referimos al hecho de que el Modelo

Estándar permite hacer predicciones muy específicas, una vez que

se conoce la masa del Higgs. No hay más parámetros libres. Si

sabemos cuál es ese número, podemos decir con precisión cuántas

desintegraciones se producirán en cada canal. Afirmar que

observamos algo similar al Higgs es decir que observamos excesos

de la magnitud adecuada en todos los canales en los que

deberíamos verlos, no solo en uno.

Las cifras que aparecen en el cuadernillo central muestran los datos

del ATLAS y el CMS en 2011 y principios de 2012, prestando

particular atención a las colisiones que crearon dos fotones. Lo que

vemos es la cantidad de eventos en los que los dos fotones suman

una determinada energía total. Fíjese en cuán pocos son en realidad

estos eventos. El experimento observa cientos de millones de

interacciones por segundo, de las cuales alrededor de doscientas

pasan el filtro del disparador y se graban para la posteridad. Pero,

en los datos acumulados a lo largo de todo un año, solo tenemos

alrededor de mil eventos para cada energía.

La curva discontinua en la figura es la predicción para el fondo, lo

que cabría esperar sin el Higgs. La línea continua es lo que sucede

cuando incluimos el Higgs ordinario del Modelo Estándar, con una

masa de 125 GeV. Ambas curvas muestran una pequeña

protuberancia con unos doscientos eventos más de lo esperado. No



podemos determinar cuáles de estos eventos son desintegraciones

del Higgs y cuáles pertenecen al fondo, pero sí podemos

preguntarnos si el exceso es estadísticamente significativo. Y lo es.

Una inspección más detallada revela algo curioso sobre estos datos.

Una de las razones por las que nos sorprendió encontrar el Higgs

tan rápido en 2012 es que los experimentos de hecho observaron

más eventos de los que deberían. La relevancia del exceso observado

para los dos fotones en los datos del ATLAS es de 4,5 sigmas, pero,

con la cantidad de colisiones que se había analizado, el Modelo

Estándar predice que se debería haber llegado únicamente hasta 2,4

sigmas. Análogamente, en el CMS la relevancia era de 4,1 sigmas,

aunque se esperaba que alcanzase tan solo 2,6 sigmas.

Dicho de otro modo, había más eventos adicionales con dos fotones

de los que debería. No muchos más: las protuberancias son un

poquito más grandes de lo esperado, pero dentro de las

incertidumbres conocidas. Sin embargo, el hecho de que sean

compatibles entre ambos experimentos (y con los resultados del

ATLAS solo para 2011) es algo intrigante. No cabe duda de que

necesitaremos muchos más datos para saber si esta discrepancia es

real o no.

Los datos del CMS presentaban otro pequeño aunque notable

rompecabezas. Mientras que el ATLAS se limitó a los sólidos canales

de los dos fotones o los cuatro leptones, el CMS también analizó

otros tres más ruidosos: tau-antitau, bottom-antibottom y dos

bosones W. Como cabría esperar, los canales bottom- antibottom y

WW no ofrecieron resultados estadísticamente significativos (aunque



cuando dispongamos de más datos la situación sin duda mejorará).

Sin embargo, el análisis del canal tau-antitau fue desconcertante.

No se observó ningún exceso en 125 GeV, a pesar de que el Modelo

Estándar lo predice. Esta discrepancia no era realmente significativa

desde un punto de vista estadístico, pero sí resultaba interesante.

De hecho, fue esta ligera tensión con los datos del tau la que redujo

la relevancia final del análisis completo del CMS hasta los 4,9

sigmas, a pesar de que los canales de dos fotones y de cuatro

leptones habían llegado cada uno a los cinco sigmas por separado.

¿Qué podía estar pasando? Ninguno de los indicios era lo

suficientemente serio como para que pudiésemos estar seguros de

que algo pasaba, así que quizá no merezca la pena dedicarle

demasiado tiempo a estas discrepancias. Pero así es como nos

ganamos la vida los teóricos. Apenas un día o dos después de los

seminarios, empezaron a aparecer Online artículos teóricos tratando

de explicarlo todo.

Es fácil dar un solo ejemplo sencillo del tipo de cosa que los autores

de los artículos imaginan. Recuerde cómo se produce la

desintegración del Higgs en dos fotones. Puesto que estos carecen

de masa, y por tanto no interactúan directamente con el Higgs, la

única manera de que la desintegración se produzca es a través de

alguna partícula virtual que haga de intermediaria, que ha de

poseer tanto masa (para que se acople con el Higgs) como carga

eléctrica (para hacer lo propio con los fotones).

Las reglas de los diagramas de Feynman nos indican cómo calcular

la tasa de ocurrencia de este proceso, sumando las contribuciones



independientes de todas las distintas partículas con masa que

podrían aparecer en el bucle central del diagrama. Sabemos cuáles

son las partículas del Modelo Estándar, así que no es tan difícil

hacer el cálculo. Pero nuevas partículas podrían fácilmente

introducir variaciones en el resultado, al contribuir a esos procesos

virtuales incluso aunque no hayamos sido capaces de detectarlas

directamente. Por lo tanto, la cantidad anómalamente elevada de

eventos podría ser la primera señal de la existencia de partículas

más allá del Modelo Estándar, que contribuirían a la desintegración

del Higgs en dos fotones.

Los detalles son importantes, por supuesto: si las nuevas partículas

que nos imaginamos alteran también las tasas de los demás

procesos observados, tendremos problemas. Pero es emocionante

pensar que estudiando el Higgs podríamos aprender cosas no solo

sobre esta partícula, sino sobre otras que aún no hemos

encontrado.

No bajemos la guardia.



Capítulo 10

Difundiendo el mensaje

Donde desvelamos el proceso que se sigue para obtener

los resultados y para comunicar los descubrimientos.

Con toda la solemne flema británica de la que era capaz, el

corresponsal John Oliver le estaba planteando algunas espinosas

preguntas a Walter Wagner, el hombre que había acudido a los

tribunales para evitar que el Gran Colisionador de Hadrones entrase

en funcionamiento. La acusación era grave: el LHC suponía un

peligro para la supervivencia de la vida sobre la Tierra.

JO: Entonces, aproximadamente, ¿cuál es la probabilidad de

que se destruya el mundo? ¿Una en un millón, una en mil

millones?

WW: Bueno, mi mejor estimación ahora mismo es una

probabilidad aproximada de uno sobre dos.

JO: Un momento. ¿Es del cincuenta por ciento?

WW: Sí, cincuenta-cincuenta... Si cabe la posibilidad de que

algo suceda, y también de que no suceda, o bien ocurrirá o

bien no. De manera que la mejor estimación es de uno sobre

dos.

JO: No estoy seguro de que sea así como funcionan las

probabilidades, Walter.

Cuando el LHC se estaba poniendo en marcha en 2008, los físicos

se esforzaron por difundir el mensaje de que esa máquina nos



ayudaría a encontrar el bosón de Higgs, quizá también revelaría por

primera vez la supersimetría, y posiblemente descubriría otros

fenómenos excitantes y exóticos como la materia oscura o las

dimensiones adicionales. Pero, frente a esta alentadora historia del

triunfo de la curiosidad humana, otra narrativa opuesta luchaba

por captar la atención del público: El LHC era un experimento

potencialmente peligroso que recrearía el big bang y sería capaz de

destruir el mundo.

Por aquel entonces, el escenario de unos científicos locos fuera de

control ganaba en la competencia por la atención. No es que los

periodistas estuviesen dispuestos a ignorar la verdad y buscasen el

puro sensacionalismo. (Al menos, la mayoría no. En el Reino Unido,

el tabloide Daily Mail publicó un gran titular que decía: «Todos

vamos a morir el próximo miércoles».) Lo que sucedía, más bien, es

que, igual que la expresión «partícula divina», parecía que los

escenarios de desastre debían formar parte obligatoriamente de

cualquier historia sobre el asunto. Una vez planteada la idea de que

cabe la posibilidad de que el LHC acabe con todos los humanos del

planeta —incluso aunque la probabilidad sea ínfima—, esa es la

cuestión sobre la que la sociedad quiere oír hablar. A esto hay que

añadir la quijotesca lucha que libró contra el LHC en Hawai Walter

Wagner, un beligerante ex funcionario de seguridad nuclear. Una

vez que el caso fue desestimado por motivos (bastante evidentes) de

falta de jurisdicción, Wagner recurrió ante un tribunal federal.

Finalmente, un tribunal formado por tres jueces desestimó el caso

en 2010, con un lacónico fallo:



Por consiguiente, el supuesto daño, la destrucción de la Tierra,

no es en modo alguno atribuible a la omisión, por parte del

gobierno estadounidense, de la obligación de redactar un

estudio de impacto ambiental.

El CERN y otras organizaciones de físicos se tomaron muy en serio

la necesidad de garantizar que se actuaba en condiciones de

seguridad, y patrocinaron numerosos estudios de expertos sobre el

asunto, todos los cuales llegaron a la conclusión de que el riesgo de

que se produjese un desastre era mínimo. La entrevista con Oliver,

que permitió que Wagner se desacreditase a sí mismo, fue una de

las pocas historias en los medios de comunicación que adoptó el

enfoque adecuado. Apareció en The Daily Show de Jon Stewart, un

programa satírico de noticias del canal Comedy Central. Solo un

programa de humor tuvo la suficiente agudeza como para tratar la

preocupación sobre un desastre en el LHC como la farsa que era.

Algo que jugaba contra los físicos es su inclinación natural a ser

tanto precisos como sinceros, algo que con frecuencia dificulta la

transmisión de su mensaje. Los temores de que el LHC pudiese

destruir el mundo se basaban en parte en teorías físicas

respetables, aunque especulativas. Por ejemplo, si la gravedad fuese

mucho más intensa de lo habitual a las elevadas energías que se

alcanzan en una colisión entre partículas en el LHC, sería posible

crear agujeros negros diminutos. Todo lo que sabemos sobre la

física nos lleva a predecir que los agujeros negros de esas

características se evaporarían sin provocar daño alguno. Pero es



posible que todo lo que sabemos sea erróneo, y que se formen

agujeros negros estables, y que el LHC los produzca, y que se

implanten en el núcleo terrestre y vayan consumiéndolo

gradualmente, lo que llevaría al planeta, tras un tiempo, al colapso

definitivo. Si calculamos el tiempo que tardaría en suceder, el

resultado es mucho mayor que la edad actual del universo.

Evidentemente, nuestros cálculos podrían ser erróneos. Pero, en ese

caso, las colisiones de los rayos cósmicos de alta energía deberían

producir minúsculos agujeros negros por todo el universo. (El LHC

no hace nada que el universo no esté haciendo continuamente y a

energías mucho más elevadas.) Y esos agujeros negros deberían

engullir enanas blancas y estrellas de neutrones, pero vemos

montones de estrellas como estas en el firmamento, por lo que eso

tampoco debe ser del todo cierto.

Creo que el lector entiende lo que quiero decir. Hay muchas

variaciones del tema, pero el patrón general es universal: podemos

idear escenarios altamente especulativos que parezcan peligrosos,

aunque cuando los analizamos en detalle vemos que existen otros

condicionantes que nos llevan a descartar las posibilidades más

extremas. Pero como los científicos quieren ser precisos y tener en

cuenta muchas posibilidades distintas, tienden a prestar demasiada

atención a todos los escenarios aparentemente espeluznantes para

después tranquilizarnos explicándonos que todos ellos son

altamente improbables. Cada vez que deberían haber dicho: «¡No!»,

lo que suelen decir es: «Probablemente no, la probabilidad es

realmente muy pequeña», lo cual no tiene el mismo impacto. (Una



excepción destacada es John Ellis, físico teórico en el CERN, que,

cuando le preguntaron en The Daily Show cuál era la probabilidad

de que el LHC destruyese el planeta, respondió: «Cero».)

Imagine que abre la nevera buscando un bote de salsa de tomate,

con la intención de prepararse pasta para cenar. Un amigo

alarmista le agarra antes de que pueda abrir la puerta y le dice:

«¡Espera! ¿Estás seguro de que al abrir ese bote no liberarás un

patógeno mutante que se extienda rápidamente y acabe con toda la

vida sobre la Tierra?». Lo cierto es que no puede estar

absolutamente seguro al cien por cien. Hay toda una panoplia de

escenarios desastrosos cuya probabilidad es tan ridículamente

pequeña que los ignoramos en nuestra vida cotidiana. Es concebible

que al poner en marcha el LHC se desencadene una secuencia de

acontecimientos que den lugar a la destrucción del planeta. Muchas

cosas son concebibles, pero lo importante es si son razonables, y en

este caso ninguna de ellas lo era.

Combatir a los agoreros resultó ser un buen entrenamiento para la

comunidad física. El nivel de escrutinio público al que se ha

sometido la búsqueda del Higgs no tiene precedentes. Los

científicos, que se encuentran en su ambiente cuando discuten

sobre ideas abstractas y refinadamente técnicas con otros

científicos, han tenido que aprender a elaborar un mensaje claro y

convincente de cara al mundo exterior. A la larga, eso solo puede

tener consecuencias positivas para la ciencia.

§. Fabricar la salchicha



Una de las principales ideas equivocadas que mucha gente tiene

sobre los resultados procedentes de los enormes experimentos de

física de partículas tiene que ver con el recorrido desde que se

obtienen los datos hasta que dichos resultados se hacen públicos.

No es un camino fácil. En ciencia, la manera tradicional en que se

comunican los resultados pasa por que los artículos científicos se

publiquen en revistas basadas en el sistema de revisión por pares.

Así es en el caso del ATLAS y el CMS, pero la complejidad de los

experimentos implica que, prácticamente, los únicos árbitros

competentes sean los propios miembros de las colaboraciones. Para

hacer frente a este estado de cosas, cada experimento ha establecido

un procedimiento extremadamente riguroso y exigente que debe

seguirse antes de que los nuevos resultados puedan hacerse

públicos.

Los miles de colaboradores en los experimentos del LHC no son, en

su mayoría, empleados del CERN. El perfil típico del físico que

trabaja allí es el de un estudiante, profesor, o postdoc (un puesto de

investigador intermedio entre el doctorando y el profesor) de una

universidad o laboratorio de cualquier lugar del mundo, que sin

embargo pasa buena parte del año en Ginebra. Con mucha

frecuencia, el primer paso de un artículo hacia su publicación

implica que uno de estos físicos se haga una pregunta. Puede ser

una pregunta perfectamente obvia, como: «¿Existe el bosón de

Higgs?», o algo más especulativo: «¿Realmente se conserva la carga

eléctrica?», «¿Existen más de tres generaciones de fermiones?»,

«¿Crean las colisiones de alta energía agujeros negros en



miniatura?», «¿Existen dimensiones adicionales del espacio?».

Preguntas que pueden venir inspiradas por una nueva propuesta

teórica, por algún detalle en los datos existentes para el que no se

encuentra explicación, o simplemente por las nuevas posibilidades

que ofrece la propia máquina. Los experimentalistas son por lo

general gente pragmática, al menos en su trabajo como científicos,

de manera que suelen plantear preguntas cuya respuesta pueda

encontrarse en la marea de datos que proporciona el LHC.

Los físicos a los que se les ocurre la cuestión suelen comentarla con

sus amigos y colegas para valorar si merece la pena. Si son

estudiantes, es probable que lo consulten con su tutor,

normalmente un profesor de su universidad de origen; si son

profesores, puede que le pasen la idea a alguno de sus alumnos

para que trabaje sobre ella. Cuando una idea parece prometedora,

se eleva a algunos de los «grupos de trabajo» que existen en cada

experimento, y que se especializan en distintas áreas de interés:

«quarks top», «Higgs», «exóticas». («Exóticas» incluiría las partículas

que predicen algunas de las teorías especulativas que circulan por

ahí, o las que no predice absolutamente nadie.) Los grupos de

trabajo estudian la idea, tras lo cual el «organizador» que dirige el

grupo toma la decisión sobre si merece la pena continuar

analizando esa cuestión en particular. Los experimentalistas

mantienen detalladas páginas web con listas de los análisis que

están en curso, para tratar de evitar la duplicidad de esfuerzos. De

hecho, ese es el motivo por el que se inventó la World Wide Web.

Si la idea recibe la aprobación por parte del correspondiente grupo



de trabajo, el análisis continúa. La vida de un físico actual combina

el trabajo frente al ordenador con la asistencia a reuniones,

normalmente a través de videoconferencia. Realizar análisis no es en

modo alguno la única tarea de un experimentalista. También está el

trabajo con la maquinaria, hacer «turnos» en la supervisión del

funcionamiento del experimento, impartir (o recibir) clases, dar

charlas, solicitar dinero de becas y, cómo no, participar en comités y

otras mil absurdas minucias que forman parte inevitablemente de la

vida académica. De vez en cuando, a los experimentalistas se les

permite visitar a sus familias o ver la luz del Sol, pero estas

frivolidades se restringen al máximo.

A estas alturas, los datos se han recopilado y están a buen recaudo

en discos duros distribuidos por todo el mundo. El trabajo de un

analista consiste en transformar esos datos en un resultado útil

para la física. Pocas veces basta simplemente con darle a la

manivela. Hay que hacer «descartes», y dejar de lado parte de los

datos por irrelevantes, o por añadir ruido, a la pregunta en cuestión.

(Por ejemplo, podríamos querer estudiar eventos en los que se

producen dos chorros, pero solo si la energía total supera los 40

GeV y el ángulo entre ellos es de al menos 30 grados.) Muy a

menudo es necesario programar software especializado para tratar

de superar los problemas específicos del problema en estudio. Los

datos no son muy útiles si no se pueden comparar con alguna

predicción teórica, por lo que se utilizan otros programas

informáticos para estimar cómo deberían ser esos datos según

distintos modelos. Incluso después de los descartes, sigue siendo



necesario hacer una estimación del volumen de ruido de fondo que

amenaza con ahogar nuestra preciada señal, lo cual conlleva un

toma y daca entre los cálculos y otras mediciones. A lo largo del

proceso, el grupo de trabajo recibe actualizaciones periódicas, tanto

en forma de documentación escrita como de presentaciones por

videoconferencia.

Finalmente, se obtiene un resultado. La siguiente tarea es convencer

al resto de la colaboración de que el resultado es correcto (y no hay

nada que guste más a un grupo de físicos malhumorados que

demostrar los fallos en el análisis de otra persona). Cada proyecto

debe obtener previamente una «preaprobación» por parte del grupo

de trabajo, antes de que pueda ser aprobado por el conjunto de la

colaboración. Existe un comité cuya única función es la de

comprobar que el trabajo estadístico no contiene errores. El objetivo

final es publicar un artículo en una revista científica, pero el

artículo escrito debe circular entre los miembros de la colaboración

antes de que el comité de publicación le dé su «bendición». Solo

entonces puede enviarse a la revista.

Es comprensible que quienes no son científicos supusiesen que

quien figura como autor del artículo de hecho lo había escrito.

Desde luego, quien escribe el artículo es uno de los autores, pero

todas las demás personas que contribuyen de manera significativa

al trabajo que se describe figurarán en la lista de autores. En la

física de partículas experimental, la tradición dicta que a cada

miembro de la colaboración se le reconozca como autor de todos los

artículos que el experimento produce. Ha leído bien: cada artículo



que sale del CMS o el ATLAS tiene más de tres mil autores. Lo que

es más, los autores aparecen por orden alfabético, por lo que para

alguien de fuera resulta completamente imposible discernir quién

ha hecho el análisis o quién ha escrito las palabras del artículo. El

sistema no es ajeno a las controversias, pero contribuye a hacer que

todos los resultados que se publican cuenten con el respaldo del

conjunto de la colaboración.

Por lo general, solo cuando el artículo se da por finalizado se

comunican al público los análisis y se permite a los físicos que

comenten el asunto en las charlas que den. La búsqueda del bosón

de Higgs es un asunto especial, por supuesto: todo el mundo sabe

desde hace años que era un objetivo primordial de ambos

experimentos, y buena parte del trabajo preliminar ya se había

realizado previamente, para facilitar que el tránsito desde los datos

al anuncio público fuese lo más rápido posible. Aun así, hasta que

los experimentos han verificado que los datos se han analizado

correctamente, se procura por todos los medios que los resultados

no se difundan.

Le pregunté a un físico si en el CMS, en general, se tenía

conocimiento de los resultados que iba obteniendo el ATLAS, y

viceversa. «¿Estás de broma? —me respondió con una risotada—. La

mitad de la gente del ATLAS se acuesta con la mitad del CMS. ¡Por

supuesto que se conocen!» A pesar de los niveles sobrehumanos de

dedicación a sus cometidos, los físicos también son personas.

§. Hay errores y errores



Las actualizaciones de diciembre sobre la búsqueda del Higgs que

ofrecieron Fabiola Gianotti y Guido Tonelli no fueron los únicos

seminarios del CERN que concitaron la atención del público en

2011. En septiembre de ese año, el físico italiano Dario Autiero

anunció un resultado que acabaría siendo tristemente famoso: el de

los neutrinos que en apariencia viajaban más rápido que la

velocidad de la luz. El resultado procedía del experimento OPERA,

que seguía la pista de neutrinos producidos en el CERN que

recorrían más de 700 kilómetros bajo tierra hasta un detector

situado en Italia. Como los neutrinos interactúan de forma tan

débil, pueden atravesar muchos kilómetros de roca sólida sin

apenas sufrir pérdida de intensidad, lo que hace de esta

configuración una ventana particularmente efectiva sobre sus

propiedades.

El problema es evidente: se supone que nada viaja más rápido que

la luz. Fue Einstein quien llegó a esta conclusión, que constituye

uno de los cimientos de la física actual. Existen muchos argumentos

de peso en favor de este principio, que se había verificado con

anterioridad en innumerables experimentos de precisión. Si se

demostrase que era falso, sería el resultado más importante de la

física desde la irrupción de la mecánica cuántica. No es que

tuviésemos que volver a empezar prácticamente desde cero, pero sin

duda sería necesario definir nuevas leyes de la naturaleza. Una

preocupante consecuencia sería que, si se podía ir más rápido que

la luz, también se podría viajar hacia atrás en el tiempo, lo que

inmediatamente dio pie a un nuevo género de chistes: «El camarero



dice: “Aquí no servimos a leptones”. Un neutrino entra en un bar».

La mayoría de los físicos se mostraron de inmediato incrédulos. En

Cosmic Variance escribí:

«Lo que hay que saber de este resultado es

1. Es enormemente interesante de ser cierto.

2. Probablemente no lo es».

Incluso los propios miembros de OPERA parecían dudar de las

consecuencias de su hallazgo, y pidieron a la comunidad física que

les ayudasen a entender dónde podía estar su error. Desde luego,

incluso la más firme creencia teórica debe ceder ante un resultado

experimental intachable. La pregunta era: ¿hasta qué punto este era

fiable?

El hallazgo de OPERA era de una enorme relevancia estadística. La

discrepancia entre teoría y observación superaba los seis sigmas,

más que suficiente para afirmar que se trataba de un

descubrimiento. A pesar de lo cual había muchos escépticos. Y los

escépticos tenían razón. En marzo de 2012 otro experimento,

llamado ICARUS, trató de replicar los resultados de OPERA, pero

obtuvo algo muy distinto: los neutrinos respetaban

escrupulosamente el límite de la velocidad de la luz.

¿Fue este uno de esos casos en los que simplemente tuvimos

muchísima (mala) suerte y una sucesión de eventos improbables

conspiraron para llevarnos por mal camino? En absoluto. La

colaboración OPERA finalmente identificó una importante fuente de

error en su análisis original, un cable suelto que conectaba su reloj



principal con un receptor de GPS. El cable defectuoso provocó un

retardo en el tiempo que medía el detector, más que suficiente para

explicar la anomalía original. Una vez que se arregló, el efecto

desapareció.

La lección fundamental que se puede extraer del episodio es que no

siempre basta con los sigmas. La estadística puede ayudarnos a

determinar la probabilidad de que nuestros datos sean compatibles

con la hipótesis nula, pero solo si partimos de datos fiables. Los

científicos hablan de «errores estadísticos» (porque no tenemos datos

suficientes, o porque existe una incertidumbre intrínseca aunque

aleatoria en nuestras mediciones) y de «errores sistemáticos»

(debidos a algún efecto desconocido que altera los datos

uniformemente en un determinado sentido). No basta con que un

resultado sea relevante desde un punto de vista estadístico para que

sea cierto. Esta es una lección que los físicos que buscan el bosón

de Higgs en el LHC tienen bien aprendida.

Hay otra cuestión más discutible: ¿hicieron bien los físicos de

OPERA al comunicar públicamente sus resultados, llegando a

convocar una rueda de prensa en el CERN para hacerlo? Desde el

anuncio, la discusión al respecto ha sido intensa, con argumentos a

favor y en contra. Por una parte, los responsables de OPERA sabían

muy bien que lo que estaban afirmando era algo sorprendente, y

pensaron que era preferible difundir la noticia ampliamente para

que otros científicos pudiesen ayudarles a determinar si había

habido algún error. Por otra parte, hubo mucha gente que pensó

que el incidente fue perjudicial para la imagen pública de la ciencia,



al dar pábulo en primera instancia a la posibilidad de que Einstein

se hubiera equivocado para después reconocer que había sido un

error. Puede que el interés del episodio sea meramente académico:

quizá, en un mundo interconectado, donde las noticias viajan tan

rápido, ya no sea posible que los grandes experimentos mantengan

en secreto durante mucho tiempo resultados tan sorprendentes

como este.

Tommaso Dorigo, físico del experimento CMS y bloguero en A

Quantum Diaries Survivor, hizo una predicción atrevida en una

charla en 2009 en la Conferencia Mundial de Periodistas Científicos:

la primera noticia que el mundo exterior tendría sobre el

descubrimiento definitivo del bosón de Higgs llegaría a través de un

comentario anónimo en un blog. No acertó plenamente, pero casi.

Antes del bosón de Higgs, la última partícula elemental del Modelo

Estándar en ser descubierta fue el quark top, identificado en el

Tevatrón del Fermilab en 1995. Era la época de los primeros blogs

(el término «weblog» data de 1997). No existían Facebook ni Twitter.

Incluso MySpace, desde hace ya tiempo desahuciado por estar

completamente pasado de moda, no se creó hasta 2003. Los físicos

que trabajaban en el Tevatrón podían compartir cotilleos jugosos

con otros físicos, pero el riesgo de que un gran descubrimiento se

hiciera público antes de tiempo era reducido.

Las cosas han cambiado. Con la facilidad de comunicación que

permite internet, cualquiera puede darle amplia difusión a una

noticia, y los experimentos ATLAS y CMS cuentan con más de tres

mil miembros cada uno. Por mucho que los responsables traten de



mantener las cosas bajo control, la probabilidad de que guarden

silencio todas y cada una de las personas que tienen conocimiento

de un resultado importante es realmente bastante reducida.

Confieso que soy un entusiasta defensor de los blogs, aunque

procuro no difundir rumores que la gente no quiere que se

extiendan. Empecé a escribir un blog allá por 2004, en un sitio web

personal llamado Preposterous Universe, y en 2005 me mudé al blog

comunitario Cosmic Variance, que actualmente forma parte de la

web de la revista Discover. Lo que me encanta de los blogs es que se

pueden utilizar para cualquier propósito que su autor estime

adecuado. Una amplia variedad de autores hace pleno uso de esta

libertad. Incluso si nos limitamos a la minúscula subcultura de los

blogs escritos por científicos o por escritores especializados en

ciencia, los ejemplos van desde los más informales a los rigurosos y

matemáticos, pasando por los de noticias puras y duras, los

satíricos o los de cotilleos. Nuestro objetivo en Cosmic Variance es

compartir ideas y descubrimientos científicos interesantes con una

amplia variedad de lectores, sin que eso limite nuestra libertad para

divagar y pontificar sobre cualquier cosa que nos interese. Algunas

de nuestras entradas más leídas estaban dedicadas al LHC, incluido

el intento de bloguear en grupo y en directo la puesta en marcha en

2008 y los seminarios sobre el Higgs de 2012.

Uno de mis compañeros blogueros es John Conway, profesor de

física en la Universidad de California en Davis y físico experimental

en CMS. (JoAnne Hewett es otra.) El primer post que escribió

Conway, titulado «Bump Hunting», ofrecía una visión perspicaz de



en qué consiste el trabajo de un físico de partículas. A veces los

datos pueden darte sorpresas, y no siempre es fácil saber si te has

topado con un descubrimiento capaz de cambiar el mundo o si

simplemente eres víctima de una fluctuación estadística.

Conway contó la historia de la búsqueda del bosón de Higgs en los

datos del Fermilab (el LHC aún no estaba en funcionamiento)

utilizando los canales que eran personalmente sus favoritos,

aquellos en los que se produce un leptón tau. Estaban llevando a

cabo un análisis ciego de los datos procedentes del experimento

CDF del Tevatrón y finalmente llegaron a un punto en que estaban

en disposición de abrir la caja para ver lo que contenía. Y la

respuesta fue que... ¡había algo ahí dentro! Una pequeña pero

inconfundible protuberancia en la tasa de producción de dos taus,

algo del estilo de lo que cabría esperar de un bosón de Higgs con

una masa de alrededor de 160 GeV. De solo 2,5 sigmas, pero digna

de estudio. La mayoría de las pequeñas protuberancias se

desvanecen, si bien todo descubrimiento real empieza por una

pequeña protuberancia, por lo que es muy normal que todos los

participantes estuviesen muy nerviosos. «Literalmente, se me puso

la piel de gallina», rememoraba.

En una segunda entrada sobre el asunto, Conway habló del análisis

posterior y reveló algo que solo supo más tarde: el experimento

hermano de CDF en el Fermilab, conocido como «D Zero», veía un

déficit de eventos allí donde CDF observaba un exceso. Lo cual

rebajaba en gran medida la probabilidad de que hubiesen

descubierto una nueva partícula. Los datos adicionales tampoco



confirmaron la posibilidad de que allí hubiese una partícula oculta.

Pero su historia es un magnífico ejemplo de la montaña rusa

emocional en que a veces se convierte la vida de un científico

experimental.

Por desgracia, no todo el mundo la interpretó así. Un número

sorprendente alto de lectores tuvo la impresión de que el Fermilab

había descubierto el bosón de Higgs o algo parecido, y de que

Conway había decidido difundir la noticia publicándola en nuestro

humilde blog en lugar de escribir un artículo científico o quizá

ofrecer una rueda de prensa. Nuestros entusiastas lectores no

fueron los únicos que se llevaron una impresión equivocada. Varios

periodistas también le dieron crédito, lo que propició que apareciese

en The Economist y New Scientist, entre otros. Para los físicos, fue

una nueva lección: la opinión pública está tan ávida de oír cualquier

cosa, lo que sea, sobre la búsqueda del Higgs, que hay que ser muy

prudentes para asegurarnos de que la emoción se transmite

adecuadamente, pero sin dar la impresión de que hemos

descubierto más de lo que de hecho hemos encontrado.

§. Paparazzi de la física

Los enormes aceleradores de partículas no son los únicos sitios

donde podemos buscar nueva física. PAMELA (Payload for

Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics:

Equipo para la Exploración de la Antimateria/Materia y Estudio de

la Astrofísica de Núcleos Ligeros) es un experimento italiano de

detección de rayos cósmicos que órbita a baja altitud, montado



sobre un satélite ruso (no militar) de reconocimiento. Uno de sus

objetivos principales es la búsqueda de antimateria en los rayos

cósmicos, principalmente en forma de positrones y antiprotones.

Observar antimateria no es algo que deba sorprendernos: en el

espacio exterior tienen lugar procesos de alta energía que

ocasionalmente producen antipartículas, igual que sucede en el

LHC. Lo que sí es sorprendente es que PAMELA observase bastantes

más positrones de los esperados. Esto podía tomarse como

evidencia de algún proceso astrofísico que aún no comprendemos,

por ejemplo algún fenómeno novedoso en las atmósferas de las

estrellas de neutrones, o bien de física más allá del Modelo

Estándar, como por ejemplo la aniquilación de partículas de materia

oscura para dar lugar a un exceso de positrones. Se investigan

varias alternativas, aunque a medida que pasa el tiempo las

opciones astrofísicas parecen cada vez más prometedoras.

Lo que puede que sea aún más sorprendente es cómo se difundieron

las noticias sobre el sorprendente resultado de PAMELA. A menudo

sucede que un experimento tiene resultados preliminares, aún no

del todo maduros para publicarlos o distribuirlos, pero sí lo

suficiente como para mostrárselos a los colegas en una conferencia.

Eso es lo que sucedió con PAMELA en la Conferencia Internacional

de Física de Altas Energías, en Filadelfia, en septiembre de 2008.

Mirko Boezio, físico de PAMELA, mostró fugazmente una gráfica que

reflejaba un exceso de positrones, resultado que aún no se había

incorporado a ninguna publicación.

Pero no fue lo suficientemente fugaz. Mientras aparecía la gráfica,



un joven teórico llamado Marco Cirelli, que se encontraba entre el

público, aprovechó para tomar una fotografía con su cámara digital.

De vuelta en casa, junto son su colaborador Alessandro Strumia

escribió un artículo en el que proponían un nuevo modelo para la

materia oscura que podría explicar el exceso, y lo remitió al archivo

de física en el servidor http://arxiv.org, desde donde se distribuyó al

mundo entero. En su artículo incluyeron gráficas en las que

comparaban la predicción teórica de su modelo con los datos que

habían extraído de la fotografía de la charla en la conferencia, con el

siguiente pie de foto: «Para cumplir con la política de publicación,

los datos preliminares relativos a los flujos de positrones y

antiprotones representados en nuestras figuras han sido extraídos

de una fotografía de las transparencias que se tomó durante la

charla».

Bienvenidos al nuevo mundo. Se trata claramente de una zona gris.

Alguien que formase parte de la colaboración podría decir que si los

datos aún no están en disposición de ser publicados no deberían

utilizarse en un análisis teórico. A lo que un miembro del público

podría responder que si los datos no están listos tampoco se

deberían mostrar en público en una charla. Piergiorgio Picozza,

físico italiano responsable de PAMELA, estaba «muy, pero que muy

enfadado» por cómo se habían obtenido y utilizado los datos. Pero

Cirelli insiste en que obtuvo permiso de los físicos de PAMELA

presentes en la conferencia: «Le preguntamos a la gente de PAMELA

[que estaba allí] y nos dijeron que no había problema».

En la era de Facebook, como muchos adolescentes saben bien,

http://arxiv.org/



cualquier cosa que compartas con alguien es como si la

compartieses con todo el mundo. La tecnología ha hecho que el

esfuerzo necesario para compartir información sea mínimo, con

independencia de lo oficial o fiable que sea dicha información. Como

dijo Joe Lykken, refiriéndose a otro rumor: «Antes de los blogs, este

tipo de rumores quizá habrían circulado entre varias decenas de

físicos. Ahora, con los blogs, incluso los físicos que estudian la

teoría de cuerdas y no saben ni cómo deletrear “Higgs” tienen acceso

inmediatamente a información privilegiada sobre los datos».

§. Susurros

Los rumores no siempre son positivos. En abril de 2011, alguien,

mediante un comentario anónimo en el blog de Peter Woit, Not Even

Wrong, filtró una circular interna de ATLAS, del equipo de Sau Lan

Wu en Wisconsin. Su contenido era explosivo, de ser cierto: sólidas

evidencias de la desintegración en dos fotones de un bosón similar

al Higgs. Pero era demasiado bueno para ser verdad: para obtener

una señal de esa intensidad con la relativamente ínfima cantidad de

datos de que disponían en ese momento, la tasa de desintegración

del Higgs debería ser treinta veces mayor que la predicha por el

Modelo Estándar.

No era imposible, pero tampoco era nada que nadie esperase. Como

era de suponer, una vez que ATLAS publicó los resultados

debidamente aprobados, la señal había desaparecido.

Este incidente refleja un inconveniente de los blogs. Las

comunicaciones internas como esta son básicas para una gran



colaboración: se escriben continuamente, como parte del proceso de

maduración de un análisis para dar lugar a un resultado aprobado

que hemos descrito antes. Ni siquiera quienes las escriben tienen

por qué creer necesariamente que el resultado es real, lo único que

hacen es señalar que algo es digno de un mayor escrutinio. Y eso

está bien, siempre que se haga dentro de los límites de la

colaboración. Si se hace público antes de ser aprobado, existe un

grave riesgo de que sea malinterpretado, lo que puede en última

instancia socavar la confianza de la sociedad en los resultados

oficiales. La propia Wu estaba furiosa: «La filtración fue

completamente contraria a la ética e irresponsable. [...] Ha dañado

la libertad de circulación interna de estudios por escrito entre los

colaboradores. Para mí, es un asunto muy triste».

En junio de 2012, el CMS y el ATLAS comenzaron a estudiar

minuciosamente los datos que habían podido recopilar a lo largo del

año. Desde los seminarios de diciembre de 2011, todos sabían que

había indicios de un Higgs de 125 GeV, por lo que,

comprensiblemente, la curiosidad era máxima. En cuanto comenzó

el análisis, los rumores empezaron a circular. Desde mucho tiempo

atrás, estaba previsto que los datos actualizados sobre la búsqueda

del Higgs se presentasen en julio en la ICHEP, en Melbourne. El

alboroto mediático aumentó cuando el CERN anunció que no

esperarían a Melbourne, sino que convocarían unos seminarios

especiales inmediatamente antes en Ginebra. ¿Por qué habrían de

hacer algo así si no fuesen a anunciar algo grande?

Las cosas se complicaron tanto que Fabiola Gianotti, en un correo



electrónico a Dennis Overbye, periodista del New York Times, pidió:

«Por favor, no os creáis lo que dicen los blogs». Pero hay blogueros

de todas las clases, y algunos trataron de detener la oleada, en lugar

de contribuir a ella. Michael Schmitt, físico en la Universidad

Northwestern y miembro del CMS, escribió en su propio blog,

Collider:

Le debo lealtad a mi experimento, en particular a la gente que

ahora mismo está realizando los análisis y verificando los

resultados, así como a los responsables que tienen que definir la

estrategia y tomar decisiones difíciles. No merece la pena

conseguir un poco de notoriedad para mi blog si es a costa de

importunar a todas estas personas.

Lo que es innegable es que, de entre las seis mil personas que

suman entre los dos experimentos, alguien va a caer en la tentación

de irse de la lengua. Una de las quejas más frecuentes contra los

blogs no es que se publiquen los resultados antes de tiempo, sino

que los resultados ni siquiera existen. El análisis lleva su tiempo, y

normalmente se realiza a un ritmo febril justo hasta el momento de

dar la charla o de enviar el artículo para su publicación.

Mientras tanto, otros aprovecharon la emoción del momento para

divertirse. El 20 de junio, varios usuarios de Twitter empezaron a

pasarse mensajes satíricos sobre el Higgs. El hashtag #HiggsRumors

llegó incluso a ser brevemente trendig topic en Twitter, un honor

normalmente reservado a noticias relacionadas con Jersey Shore o

Lady Gaga. Jennifer Ouellette, escritora científica y bloguera (y



también mi mujer), recopiló algunos de los mejores tuits en una

entrada en su blog.

@drskyskull: He oído que el bosón de Higgs una vez disparó a

un hombre solo para verlo morir. #HiggsRumors

@StephenSerjeant: Chuck Norris ha descubierto el bosón de

Higgs antes que ATLAS y CMS. #HiggsRumors

@treelobsters: Durante el solsticio de verano, un bosón de

Higgs puede mantenerse en equilibrio indefinidamente.

#HiggsRumors1

@tomroud: La partícula de Dios en realidad es atea.

#HiggsRumors

Mi aportación fue la siguiente: «Litüe Mikey, de los anuncios de

cereales LIFE, murió tras comer bosones de Higgs y beber refresco

al mismo tiempo. #HiggsRumors». Lo cual probablemente dice

mucho de mis habilidades como cómico (y de mi edad).

§. Hollywood y la ciencia

Los Ángeles es una ciudad industrial Su industria es la del

entretenimiento. A principios de 2007, al poco de trasladarme a vivir

aquí, recibí una llamada inesperada. Era de Imagine Entertainment,

la productora dirigida por Ron Howard y Brian Grazer (Apollo 13,

Una mente maravillosa, El código Da Vinci). Estaban planificando el

1 Existe la creencia, infundada, de que durante los solsticios (o, según otras versiones, los equinoccios) es posible hacer que un huevo se mantenga indefinidamente erguido en equilibrio. (N del T.)



rodaje de Ángeles y demonios, basada en el libro de Dan Brown, que

incluía varias escenas importantes en el CERN, y se preguntaban si

estaría dispuesto a pasarme por sus oficinas de Beverly Hills para

hablar sobre física de partículas.

Les dije que probablemente podría hacerles un hueco en mi agenda.

Fue entonces cuando tomé conciencia de un hecho poco conocido: a

Hollywood le encanta la ciencia.

Es justo lo contrario del estereotipo habitual, según el cual las

películas y las series de televisión suelen cometer garrafales errores

científicos, y retratan a los científicos o bien como unos memos

antisociales o bien como unos genios locos empeñados en dominar

el mundo. Desde luego, hay mucho de eso, pero entre numerosos

guionistas y directores también existe un interés genuino por

utilizar la ciencia adecuadamente para mejorar las historias que

quieren contar. Howard y Grazer mostraron verdadero interés por la

cosmología, la antimateria y el bosón de Higgs, y pasamos un

entretenido almuerzo compartiendo ideas sobre distintas maneras

de introducir la física en la película. Más adelante, mi mujer,

Jennifer, se convertiría en la primera directora del Science and

Entertainment Exchange, un proyecto de la Academia Nacional de

Ciencias para tratar de mejorar la interacción entre los científicos y

Hollywood. A través de esta iniciativa pude conocer a directores

como Ridley Scott, Michael Mann y Kenneth Branagh, todos ellos

interesados en aprender más sobre dimensiones adicionales, viajes

en el tiempo y el big bang. Las películas de gran presupuesto de

Hollywood no pretenden ser documentales ni anuncios de



promoción pública de la ciencia; la narración es lo primero, y las

sugerencias de los científicos no siempre acaban reflejándose en el

producto final. Pero muchos reputados profesionales que en la gran

pantalla se dedican a contarnos cuentos de hadas aprecian las

maravillas de los descubrimientos científicos en los que se inspiran.

Por su parte, la ciencia no es contraria a recurrir a Hollywood para

promover su propia causa. La escritora científica Kate McAlpine,

que pasó tiempo en el CERN trabajando en el ATLAS, en 2008

publicó un vídeo en YouTube titulado Large Hadron Rap, en el cual

aparecían varios físicos bailando junto a los experimentos del LHC

mientras McAlpine rapeaba una letra inspirada en la física sobre un

ritmo de fondo:

Veintisiete kilómetros de túnel subterráneo

Pensado y diseñado para que circulen los protones

Un círculo que atraviesa Suiza y Francia

Sesenta naciones contribuyen al progreso científico

Dos haces de protones girando sin cesar, recorren el anillo

Hasta que en el núcleo de los detectores se les hace chocar

Y toda energía concentrada en tan poco espacio

Se transforma en masa, partículas creadas a partir del vacío

Y entonces...

Siete millones de visitas después, está claro que el vídeo tocó alguna

fibra. En YouTube no escasean los vídeos caseros sobre cualquier

tema imaginable. Por algún motivo, este destacó entre la multitud.

Lo cual debería recordarnos lo mucho que puede interesarse la



opinión pública por alguna esotérica cuestión científica si se le

presenta de una manera divertida.

El proyecto más ambicioso en ese sentido ha sido el que ideó David

Kaplan, un físico de partículas de la Universidad Johns Hopkins. En

su trabajo normal, Kaplan construye modelos que pueden probarse

en el LHC y en otros experimentos, pero desde siempre le ha

interesado la realización. De sus tiempos de instituto, recuerda la

falta de motivación que le llevó a ni tan siquiera solicitar el ingreso

en la universidad. Su hermana, sin decírselo a él, envió una

solicitud a la Universidad Chapman, en California. Para sorpresa

general, lo aceptaron y pasó un año allí estudiando cine. La

experiencia no le convenció, y acabó cambiándose a la Universidad

de California en Berkeley y estudiando física. No empezó el

doctorado inmediatamente, en parte porque sus notas en Berkeley

eran tan malas que no pensó que nadie le fuese a escribir una carta

de recomendación. Lo que hizo Kaplan fue trasladarse a Seatüe, y

ganarse un dinero extra dando clases particulares a estudiantes de

física de la Universidad de Washington. Después de que un buen

número de sus alumnos lo prefiriesen a él como profesor antes que

a los doctorandos de la Universidad de Washington, finalmente

comenzó sus estudios de posgrado allí. Bien está lo que bien acaba:

ahora Kaplan es uno de los referentes de una nueva generación de

físicos de partículas que están intentando que la física supere el

Modelo Estándar.

Cuando se aproximaba la era del LHC, Kaplan tomó conciencia de lo

especial que era este momento y comentó con sus amigos su



impresión de que estábamos en un punto de inflexión en la historia

de la ciencia, quizá incluso de la historia del progreso intelectual de

la humanidad. Si el LHC encuentra algo interesante, nos conducirá

por una nueva senda de descubrimientos. Si no, el coste prohibitivo

de la física moderna puede hacer que este sea el último gran

acelerador que se construya jamás. Kaplan estaba convencido de

que alguien debería documentar minuciosamente este espectáculo

trascendental. Su idea era entrevistar a numerosos físicos de

partículas, —tanto a los veteranos que habían construido sus

carreras alrededor de determinadas ideas sobre el funcionamiento

de la naturaleza y las habían visto verificadas o descartadas como a

los jóvenes que tendrían que lidiar con lo que fuese que el LHC

revelase o no— y plasmar sus conversaciones en un libro.

El problema es que, incluso cuando se trata de artículos científicos,

como escritor Kaplan es tremendamente lento. La solución era

evidente: en lugar de escribir un libro, haría una película. Así nació

Particle Fever (su título provisional).

Recién incorporado al profesorado, Kaplan había recibido una

pequeña beca de la Fundación Alfred P. Sloan. Normalmente, este

tipo de becas se emplean en la compra de ordenadores, en pagar

algún viaje o en proporcionar algún tipo de apoyo a los estudiantes

de doctorado. Pero Kaplan consiguió que un director de televisión se

interesase por su idea y ambos utilizaron el dinero para crear un

corto de cinco minutos que a su vez le sirviese para recaudar la

importante suma de dinero necesaria para financiar un largometraje

documental. Su presupuesto inicial fue de 750.000 dólares (desde



entonces, ha aumentado) y entonces empezó el trabajo de verdad:

recaudar fondos, contratar editores y guionistas, recaudar fondos,

entrevistar a los físicos, y recaudar fondos. Distribuyeron pequeñas

cámaras de alta definición a varios físicos del CERN, que pudieron

así grabar momentos cruciales, como la puesta en marcha en 2008

o el accidente que se produjo poco después. El propio Kaplan ha

dedicado buena parte de su tiempo al proyecto. No recibe ningún

salario por ello, y en un momento dado su familia tuvo que prestarle

50.000 dólares para evitar que se hundiese.

Pero el interés que ha suscitado es inmenso. La oficina de desarrollo

de la Johns Hopkins mostró un fragmento a la junta directiva de la

universidad, uno de cuyos miembros realizó una inversión en el

proyecto en el acto. A la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF),

que financia buena parte de la investigación básica en Estados

Unidos y arenga continuamente a los científicos para que se

involucren más en la divulgación al gran público, le encantó ver que

uno de sus investigadores se lo estaba tomando en serio y le ofreció

una jugosa financiación. A Walter Murch, un respetado editor de

Hollywood que había trabajado con George Lucas y Francis Ford

Coppola y ha obtenido varios premios Oscar, le impresionó la

película y ofreció sus servicios con una sustancial rebaja en sus

emolumentos.

A lo largo del proceso, el objetivo de Kaplan fue el de reflejar el

fervor quijotesco que incita a los científicos a tratar de entender el

universo un poco mejor de lo que nadie antes lo hubiese

comprendido. Desde una perspectiva emocional, es mucho lo que



hay en juego: la física es una ciencia experimental, y los teóricos

más brillantes de todo el mundo reciben muy poco reconocimiento

si resulta que la teoría que proponen no coincide con el camino

escogido por la naturaleza. En palabras de Kaplan:

Al fin y al cabo, es un ejercicio extraordinariamente heroico. Y

está cargado de egos, de intensidad, incluso de excesos de

confianza. Pero lo que uno llega a comprender es que la gente se

engaña. Para poder trabajar tanto como lo hacen y poder seguir

adelante, los científicos crean un mundo en sus cabezas, a

sabiendas de que podría ser un fracaso total. Toda su carrera

podría acabar en el retrete y haber sido completamente

irrelevante.

Cuando escribo esto, a mediados de 2012, Particle Fever se

aproxima a su finalización, y el equipo confía en que la seleccionen

para el Festival de Cine de Sundance, en enero de 2013. Como

corresponde, son tremendamente ambiciosos y confían en poder

estrenarla en los cines y llevar así el LHC al gran público. Tanto si lo

consiguen como si no, lo que sí habrán hecho es crear un

documento único, testimonio notable de la excitación y el

nerviosismo de los físicos en el amanecer de la era del LHC.

Y David Kaplan podrá volver a dedicarse por completo a la física. Por

muy interesante y novedoso que haya sido el proceso, no parece

probable que cambie de trabajo en un futuro próximo:

Hacer una película es una experiencia terrible. Carece por

completo de lógica, hay mucho ego, y la gente se enzarza en



discusiones sin ningún sentido en absoluto. Lo odio... Y adoro la

física.



Capítulo 11

Sueños del Nobel

Donde referimos la fascinante historia de cómo se ideó el

mecanismo «de Higgs» y reflexionamos sobre cómo pasará

a la posteridad.

Año 1940, Alemania acababa de invadir Dinamarca. Niels Bohr, uno

de los padres fundadores de la mecánica cuántica, director del

Instituto de Física Teórica de Copenhague, estaba en posesión de

unos valiosos objetos de contrabando que necesitaba esconder de

los nazis a toda costa: dos medallas de oro de las que reciben los

galardonados con el premio Nobel. ¿Cómo podría evitar que las

encontrase el ejército que se acercaba?

Bohr había recibido el premio Nobel en 1922, pero ninguna de las

medallas le pertenecía. La suya la había subastado un tiempo atrás

para ayudar a las fuerzas de la Resistencia en Finlandia. Estas eran

propiedad de Max von Laue y James Franck, dos físicos alemanes

que habían sacado las medallas, que llevaban sus nombres

grabados, del país ilegalmente para mantenerlas fuera del alcance

de los nazis. Bohr recurrió a su amigo el químico George de Hevesy,

que tuvo una idea brillante: las disolverían en ácido. El oro no se

descompone con facilidad, por lo que los científicos utilizaron agua

regia, una solución altamente corrosiva de ácido nítrico y ácido

clorhídrico, famosa por su capacidad para disolver los metales

«nobles». Sumergidas en el agua regia durante toda una tarde, las

medallas del Nobel se disociaron progresivamente en sus átomos



individuales, que permanecieron suspendidos en la solución.

Cualquier soldado que rastrease el lugar buscando indicios de

tesoros ocultos no encontraría más que un par de vulgares frascos

con compuestos químicos, disimulados entre cientos de recipientes

similares.

La estratagema funcionó. Después de la guerra, los científicos

lograron recuperar el oro haciendo que precipitasen los átomos de la

solución de De Hevesy. Bohr remitió el metal a la Real Academia

Sueca de las Ciencias, en Estocolmo, que pudo volver a fundir las

medallas de Von Laue y Franck. El propio De Hevesy, que huyó a

Suecia en 1943, obtuvo el premio Nobel en Química en 1944 (no por

descubrir nuevas técnicas para ocultar objetos de contrabando, sino

por la utilización de isótopos para seguir la evolución de las

reacciones químicas).

Por si no ha quedado claro: la gente se toma el premio Nobel muy en

serio. A finales del siglo XIX, el químico Alfred Nobel, inventor de la

dinamita, instituyó los premios en Física, Química, Fisiología o

Medicina, Literatura y el de la Paz, que se han otorgado anualmente

desde 1901. (El premio en Economía, que se creó en 1968, lo

gestiona otra organización.) Nobel falleció en 1896, y sus albaceas

se llevaron una sorpresa al saber que había donado el 94 por ciento

de su considerable fortuna para la creación de los premios.

En los años transcurridos desde entonces, los premios Nobel se han

ganado el prestigio universal y el máximo reconocimiento científico.

Lo cual no es exactamente lo mismo que «logro» científico: los Nobel

se rigen por criterios muy específicos, que suscitan interminables



discusiones sobre hasta qué punto los premios se corresponden con

los descubrimientos científicos verdaderamente importantes. El

testamento original de Nobel pretendía reconocer «a aquellos que,

durante el año precedente, hayan realizado el mayor beneficio a la

humanidad», y, con el premio en Física en particular, «a la persona o

personas que hayan llevado a cabo el “descubrimiento” o la

“invención” más importantes en el campo de la física». En cierta

medida, estas instrucciones sencillamente son ignoradas. Después

de que varios de los primeros premios recayesen en hallazgos que

más adelante se revelaron como erróneos, ya nadie espera que los

premios reconozcan el trabajo realizado en el año precedente. Y, lo

que es más importante, realizar un «descubrimiento» no es lo mismo

que obtener reconocimiento como uno de los más destacados

científicos del mundo. Hay descubrimientos a los que se llega en

cierta medida por accidente, por gente que después acaba dejando

ese campo. Y hay científicos que realizan un excelente trabajo a lo

largo de sus carreras, pero que no tienen a su nombre ningún

descubrimiento extraordinario digno de un Nobel.

Otros de los criterios limitan mucho las opciones del comité del

Nobel. Los premios no se otorgan a título póstumo, aunque si un

galardonado fallece entre el momento en que se toma la decisión y

cuando se anuncia recibe el premio igualmente. Y, algo muy

importante en el caso de la física, no puede haber más de tres

ganadores en un año. A diferencia del premio de la Paz, por ejemplo,

el de Física no se concede a una organización o un equipo, sino

exclusivamente a tres individuos como máximo. Lo cual constituye



una complicación añadida en la era de la Gran Ciencia.

Cuando se trata de contribuciones teóricas, no basta con ser

inteligente, ni siquiera con estar en lo cierto: además, la teoría debe

confirmarse experimentalmente. La contribución más importante de

Stephen Hawking a la ciencia es la idea de que los agujeros negros

emiten radiación debida a los efectos de la mecánica cuántica. La

inmensa mayoría de los físicos creen que es así, pero de momento es

un resultado puramente teórico: no hemos observado la evaporación

de ningún agujero negro, ni existe ninguna manera prometedora de

hacerlo con la tecnología de que disponemos actualmente. Es muy

probable que Hawking nunca gane el premio Nobel, a pesar de que

sus contribuciones son verdaderamente impresionantes.

Para las personas ajenas a la ciencia, a veces puede parecer que la

única finalidad de la investigación es ganar el premio Nobel. Pero no

es así. El Nobel inmortaliza momentos importantes de la ciencia,

pero los propios interesados reconocen que el progreso científico es

como un rico tapiz hecho a base de innumerables contribuciones,

grandes y pequeñas, que se van entretejiendo a lo largo de los años.

A pesar de lo cual, reconozcámoslo, ganar el Nobel es algo muy

importante, y los físicos son muy conscientes de cuáles son los

descubrimientos que podrían ser merecedores de él en algún

momento.

Ciertamente, el descubrimiento del bosón de Higgs es un logro

merecedor del premio Nobel. De hecho, la invención de la teoría que

predijo la existencia del Higgs también lo es, sin duda. Pero eso no

implica necesariamente que lo vayan a recibir. ¿Quién obtendría el



galardón? En última instancia, lo que importa es la ciencia, no los

premios, pero son una buena excusa para adentrarnos en la

fascinante historia de las ideas que están detrás del bosón de Higgs

y de cómo los físicos decidieron ir en su busca. El objetivo de este

capítulo no es ofrecer la versión definitiva de la historia, ni

determinar quién merece tal o cual premio. Al contrario: al analizar

el desarrollo de estas ideas en el tiempo, debería resultar evidente

que en el mecanismo de Higgs, como en muchas otras grandes ideas

de la ciencia, fueron imprescindibles muchos pasos previos antes de

dar con la respuesta final. Si intentásemos trazar una línea definida

entre las tres personas (como máximo) que merecerían el premio y

las muchas otras que se quedarían sin él quizá conseguiríamos un

buen titular, aunque sería a costa de violentar inevitablemente la

realidad del progreso científico.

En este capítulo voy a intentar contar la historia de manera

correcta, aunque las limitaciones de espacio harán que el recuento

sea necesariamente incompleto. No obstante, para la historia los

detalles a menudo son importantes. Por lo tanto, en comparación

con el resto del libro, este capítulo profundizará algo más en los

detalles técnicos. No pasa nada si se lo salta, siempre que no le

importe perderse una historia plena de física fascinante y

emocionantes dramas humanos.

§. Superconductividad

En el capítulo 8 hemos explorado la profunda conexión existente

entre las simetrías y las fuerzas de la naturaleza. Si tenemos una



simetría «local» o «de gauge» —que opera independientemente en

cada punto del espacio—, con ella viene también necesariamente un

campo de conexión, y son estos campos de conexión los que dan

lugar a las fuerzas. Así es como funcionan tanto la gravedad como el

electromagnetismo y, en los años cincuenta, Yang y Mills

propusieron una manera de extender la idea a las demás fuerzas de

la naturaleza. El problema, como Wolfgang Pauli señaló

impetuosamente, es que la simetría fundamental siempre está

asociada a partículas bosónicas sin masa. Esa es parte de la fuerza

de las simetrías: imponen rigurosas restricciones sobre las

propiedades que pueden tener las partículas. La simetría que

subyace en el electromagnetismo, por ejemplo, implica que la carga

eléctrica se conserva estrictamente.

Pero las fuerzas que son transportadas por partículas sin masa —

hasta donde se sabía por aquel entonces— tienen alcance infinito y

debería ser muy fácil detectarlas. La gravedad y el

electromagnetismo son los ejemplos obvios, mientras que las fuerzas

nucleares parecen muy distintas. Actualmente somos conscientes

de que las interacciones fuerte y débil también son fuerzas de tipo

Yang-Mills, en las que las partículas sin masa están ocultas a

nuestros ojos por distintos motivos: en la fuerza nuclear fuerte, los

gluones carecen de masa pero están confinados en el interior de los

hadrones, mientras que en la fuerza débil los bosones W y Z

adquieren masa por una ruptura espontánea de simetría.

En 1949, el físico estadounidense Julián Schwinger había planteado

un argumento según el cual las fuerzas basadas en simetrías



siempre llevarían asociadas partículas sin masa. No obstante, siguió

dándole vueltas al asunto y en 1961 se dio cuenta de que su

argumento hacía aguas: contenía un fallo que hacía posible que los

bosones de gauge tuviesen masa. No estaba del todo seguro de cómo

podía suceder en la práctica, pero escribió un artículo en el que

ponía de manifiesto su error anterior. Schwinger era famoso por la

elegancia y precisión tanto de su estilo personal como de su trabajo

en física. Lo cual contrastaba con Richard Feynman, con quien

Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga compartieron el premio Nobel en

1965. Feynman era conocido por su personalidad impetuosa e

informal y por su aproximación profundamente intuitiva a la física,

mientras que Schwinger era indefectiblemente meticuloso y

cuidadoso. Cuando escribió un artículo en el que señalaba que

existía un error en un razonamiento ampliamente aceptado por la

comunidad física, la gente se lo tomó en serio.

La pregunta seguía siendo: ¿qué es lo que podría hacer que los

bosones que comunican las fuerzas adquiriesen masa? La respuesta

llegó desde donde muy pocos lo esperaban: no fue desde la física de

partículas, sino desde la física de la materia condensada, el estudio

de los materiales y sus propiedades. En concreto, de las ideas que

tomaron prestadas de la teoría de los superconductores, esos

materiales que no presentan resistencia a la electricidad, como los

que constituyen los imanes gigantes del LHC.

La corriente eléctrica consiste en el flujo de electrones a través de

un medio. En un conductor normal, los electrones chocan

continuamente con los átomos y con otros electrones, que ofrecen



resistencia al flujo. Los superconductores son materiales en los que,

cuando la temperatura es suficientemente baja, la corriente puede

fluir sin obstáculos. La primera buena teoría de los

superconductores la propusieron los físicos soviéticos Vitali

Ginzburg y Lev Landau en 1950. Su idea era que existía un tipo

especial de campo que permeaba el superconductor y actuaba de tal

manera que el fotón, que normalmente carecía de ella, adquiría

masa en su interior. No pensaban necesariamente en un nuevo

campo fundamental de la naturaleza, sino en el movimiento

colectivo de electrones, átomos y campos electromagnéticos, de

manera análoga a como una onda sonora no procede de las

vibraciones de un campo fundamental, sino del movimiento

colectivo de los átomos del aire, que chocan unos con otros.

Aunque Landau y Ginzburg proponían que había algún tipo de

campo responsable de la superconductividad, no especificaban en

qué consistía realmente dicho campo. Ese paso lo dieron los físicos

estadounidenses John Bardeen, León Cooper y Robert Schrieffer,

que en 1957 desarrollaron la que se conoce como «teoría BCS» de la

superconductividad. La teoría BCS es uno de los hitos de la física

del siglo XX, y merece sin duda todo un libro distinto de este.

BCS tomó prestada una idea de Cooper, según la cual, a

temperaturas muy bajas, las partículas se asocian en pares. Son

estos «pares de Cooper» los que componen el misterioso campo que

proponían Landau y Ginzburg. Mientras que un único electrón

encontraría resistencia al chocar repetidamente contra los átomos a

su alrededor, un par de Cooper puede combinarse ingeniosamente



de manera que cualquier impacto que sintiese uno de los electrones

se compensaría con un impulso igual y de sentido contrario en el

otro (y viceversa). En consecuencia, los electrones emparejados se

deslizarían sin obstáculos a través del superconductor.

Esto está directamente relacionado con el hecho de que los fotones

poseen una masa efectiva en el interior del superconductor. Cuando

las partículas carecen de masa, su energía es directamente

proporcional a su velocidad, y puede tomar valores que van desde

cero a cualquier cifra imaginable. Las partículas con masa, por el

contrario, poseen una energía mínima: su energía en reposo, dada

por E = me2. Cuando los electrones en movimiento sufren los

empellones de los átomos y de los demás electrones del material, su

campo eléctrico se agita ligeramente, lo cual produce fotones de

muy baja energía que apenas se dejan notar. Esta continua emisión

de fotones es la que propicia que los electrones pierdan energía y

velocidad, lo cual hace que la corriente se diluya. Puesto que los

fotones adquieren masa en las teorías de Landau-Ginzburg y BCS,

para producirlos se requiere una determinada energía mínima. Los

electrones que no poseen energía suficiente no pueden crear ningún

fotón, y por tanto no pueden perder energía: los pares de Cooper

fluyen a través del material con resistencia cero.

Desde luego, los electrones son fermiones, no bosones. Pero, cuando

se asocian en los pares de Cooper, el resultado es un bosón. Se han

definido los bosones como los campos que transmiten las fuerzas,

por contraposición con los fermiones, que son campos de materia

que ocupan espacio. Como explico en el apéndice 1, los campos



tienen una propiedad llamada «espín» que también distingue entre

bosones y fermiones. Todos los bosones poseen espines cuyo valor

es un número entero: 0, 1, 2... Los de los fermiones, por su parte,

son números semienteros: 1/2, 3/2, 5/2... El electrón es un fermión

con espín igual a 1/2. Cuando las partículas se asocian, sus

espines pueden o bien sumarse o bien restarse, de manera que el

espín de un par de electrones puede tomar valores 0 o -1, el propio

de un bosón.

Esta introducción no hace en absoluto justicia a los entresijos de las

teorías de Landau y BCS, que nos cuentan una vistosa historia con

múltiples tipos de partículas moviéndose al unísono de forma

intrínsecamente mecanocuántica. Por lo que a nosotros respecta, el

mensaje que debe quedar claro es sencillo: un campo bosónico que

se extienda por todo el espacio puede proporcionar masa a los

fotones.

§. Ruptura espontánea de simetría

Esta última afirmación se parece bastante a la idea del Higgs. Pero

aún quedaba un rompecabezas por resolver: ¿cómo reconciliamos la

idea de que los fotones poseen masa en el interior de un

superconductor con la convicción de que la simetría fundamental

del electromagnetismo obliga a que el fotón carezca de ella?

Varias personas abordaron este problema, entre las cuales estaban

el físico estadounidense Philip Anderson, el físico soviético Nikolái

Bogoliubov, y el físico japonés-estadounidense Yoichiro Nambu.

Resultó que la clave radicaba en que la simetría existía realmente,



pero estaba oculta por un campo que tomaba un valor no nulo en el

superconductor. En la jerga propia de este fenómeno, decimos que

la simetría «se rompe espontáneamente»: la simetría está en las

ecuaciones básicas, pero la solución concreta que nos interesa de

dichas ecuaciones no tiene un aspecto muy simétrico.

Yoichiro Nambu, a pesar de obtener el premio Nobel en 2008 y de

hacer recibido muchos otros reconocimientos a lo largo de los años,

sigue siendo relativamente un desconocido fuera de la física. Es una

lástima, porque sus contribuciones son comparables a las de otros

colegas más famosos. No solo fue uno de los primeros en

comprender la ruptura espontánea de simetría en la física de

partículas, sino que también fue el primero en proponer que los

quarks poseen color, en sugerir la existencia de los gluones y en

señalar que ciertas propiedades de las partículas se podían explicar

si imaginábamos que las partículas eran en realidad diminutas

cuerdas, punto de partida de la teoría de cuerdas. Los físicos

teóricos admiran los logros de Nambu, pero su tendencia natural es

a rehuir los focos.

El despacho de Nambu estaba frente al mío cuando yo daba clase en

la Universidad de Chicago. No interactuamos mucho, pero cuando

lo hicimos fue en todo momento gentil y educado. Nuestro

encuentro más importante se produjo cuando llamó a mi puerta

esperando que pudiese ayudarle con el sistema de correo electrónico

de los ordenadores del grupo de los teóricos, que tenía tendencia a

tomarse un respiro en el momento menos esperado. No fui de

mucha ayuda, pero se lo tomó con filosofía. Peter Freund, otro



teórico en Chicago, describe a Nambu como un «mago»: «De pronto

saca toda una serie de conejos de su chistera y, antes de que te

quieras dar cuenta, los conejos se reordenan en una formación

completamente novedosa, y por Dios que se mantienen en un

equilibrio imposible sobre sus colas de peluche». Sin embargo, su

exquisito sentido de la etiqueta le abandonó cuando fue nombrado

brevemente director del departamento: como era reacio a responder

explícitamente con un «no» ante cualquier pregunta, indicaba su

desaprobación mediante una pausa antes de contestar que «sí». Lo

cual causó cierta consternación entre sus colegas cuando se dieron

cuenta de que sus solicitudes en realidad no habían sido aceptadas.

Después de que se propusiese la teoría BCS, Nambu comenzó a

estudiar el fenómeno desde el punto de vista de un físico de

partículas. Destacó la importancia fundamental de la ruptura

espontánea de simetría y empezó a plantearse si habría manera de

ampliar su ámbito de aplicación. Uno de los logros de Nambu

consistió en demostrar (en parte con la colaboración del físico

italiano Giovanni Jona-Lasinio) cómo podría producirse la ruptura

espontánea de simetría incluso fuera de un superconductor. Podría

ocurrir en el espacio vacío, en presencia de un campo de valor no

nulo (un claro precursor del campo de Higgs). Cabe notar que su

teoría también demostraba cómo un campo fermiónico que

inicialmente careciese de masa podía adquirirla mediante el proceso

de ruptura de simetría.

Por brillante que fuera, había que pagar un precio por la propuesta

de ruptura espontánea de simetría de Nambu. Sus modelos, al



tiempo que les proporcionaban masa a los fermiones, predecían una

nueva partícula bosónica sin masa (precisamente lo que los físicos

de partículas estaban tratando de evitar, puesto que no observaban

que las fuerzas fundamentales produjesen tal partícula). No eran

bosones de gauge, ya que Nambu estaba planteando la ruptura

espontánea de simetrías globales, no locales. Se trataba de un

nuevo tipo de partícula sin masa. Al poco tiempo, el físico escocés

Jeffrey Goldstone alegó que esto no era simplemente un incordio: la

ruptura espontánea de una simetría global siempre da lugar a

partículas sin masa, conocidas ahora como «bosones de Nambu-

Goldstone». El físico paquistaní Abdus Salam y el estadounidense

Steven Weinberg colaboraron más tarde con Goldstone para elevar

este argumento a lo que parecía ser una demostración concluyente,

denominada actualmente «teorema de Goldstone».

Una de las cuestiones a las que debe dar respuesta cualquier teoría

de ruptura de simetría es: ¿cuál es el campo que rompe la simetría?

En un superconductor, esta es la función que desempeñan los pares

de Cooper, estados compuestos de los electrones. En el modelo de

Nambu-Jona-Lasinio, se produce un efecto similar gracias a los

nucleones compuestos. Sin embargo, a partir del artículo de

Goldstone de 1961, los físicos se fueron haciendo a la idea de

postular la existencia de un conjunto de nuevos campos bosónicos

fundamentales cuya función consistiría en romper simetrías al

tomar un valor no nulo en el espacio vacío. Este tipo de campos se

llaman «escalares», lo cual es una manera de decir que no poseen

espín intrínseco. Los campos de gauge que transmiten las fuerzas,



aunque son también bosónicos, poseen espín 1, a excepción del

gravitón, cuyo espín es 2.

Si la simetría no se rompiese, todos los campos del modelo de

Goldstone se comportarían exactamente de la misma manera, como

bosones escalares con masa, debido a los requisitos que impone la

simetría. Una vez que esta se ha roto, se establecen diferencias

entre los campos.

Esto es lo que sucede cuando se rompe espontáneamente una

simetría global. Sin la ruptura, habría un determinado número N de

bosones escalares con la misma masa. Una vez rota la simetría, todos

ellos menos uno se convierten en bosones de Nambu-Goldstone sin

masa. El bosón restante sigue teniendo masa.

En el caso de una simetría global (una única transformación en todo

el espacio), que es la que Goldstone trató, uno de los campos sigue



poseyendo masa, mientras que el resto pasan a convertirse en

bosones de Nambu-Goldstone sin masa. He aquí a grandes rasgos el

teorema de Goldstone.

§. Reconciliación

Estas eran malas noticias. Parecía como si, incluso si seguíamos las

teorías BCS

y de Nambu y utilizábamos la ruptura espontánea de simetría como

manera de proporcionar masa a los hipotéticos bosones de Yang-

Mills que podrían transmitir las fuerzas nucleares, esa misma

técnica daría lugar a otro tipo de bosón sin masa que no se

observaba en los experimentos.

Por suerte, la solución a este rompecabezas se conoció casi al

mismo tiempo que el propio problema en sí. Al menos la conocía

Phil Anderson, de Bell Labs, que hizo lo que pudo por compartirla

con el mundo. Anderson, que obtuvo el premio Nobel en 1977, es

conocido como uno de los mayores expertos mundiales en física de

la materia condensada. Ha sido un activo defensor de que la física

de la materia condensada constituye en sí misma todo un campo

científico. Su celebrado artículo de 1972 titulado «More Is Different»

contribuyó a difundir la idea de que estudiar el comportamiento

colectivo de muchas partículas era al menos igual de interesante y

fundamental que el estudio de las leyes básicas que las propias

partículas obedecen. En contraposición con el discreto Nambu,

Anderson siempre ha sido proclive a decir lo que pensaba, a

menudo de manera provocativa. El subtítulo de una colección de



sus ensayos es «Notes from a Thoughtful Curmudgeon» y la biografía

en la solapa interior nos informa de que «en el momento de la

publicación estaba envuelto en varias controversias científicas sobre

asuntos de relevancia, en los que su punto de vista, aunque

impopular actualmente, probablemente acabe imponiéndose».

Si bien Nambu sin duda se inspiró en la teoría BCS, el modelo que

propuso junto con Jona-Lasinio, de ruptura espontánea de simetría

en el espacio vacío, trataba el caso de una simetría global, no local

(o de gauge). Son las simetrías locales las que dan lugar a los

campos de conexión, y por ende a las fuerzas de la naturaleza. Las

simetrías globales nos ayudan a entender la presencia o ausencia de

distintas interacciones, pero no dan pie a nuevas fuerzas.

Anderson no era físico de partículas, pero comprendía las ideas

básicas tras los bosones de Nambu-Goldstone, que ocuparon un

lugar destacado en su trabajo de 1958 sobre la teoría BCS. Ya en

1952 había discutido las consecuencias dinámicas de la ruptura de

simetría (a día de hoy, considera que esta es su mayor aportación a

la física). Anderson sabía también que en realidad no podía ser

cierto que la ruptura espontánea de simetría siempre estuviese

asociada con partículas sin masa, porque esta se producía también

en el modelo BCS, que no incluía partículas carentes de masa.

De manera que en 1962, motivado por el reconocimiento de su error

por parte de Schwinger el año anterior, Anderson escribió un

artículo (publicado en 1963) que trataba de explicar a los físicos de

partículas cómo sortear la amenaza de las partículas sin masa. Era

una solución elegante: las partículas sin masa transmisoras de



fuerza de las que partimos, y los bosones de Nambu-Goldstone que

resultan de la ruptura espontánea de simetría, se combinan para

formar una única partícula transmisora de fuerza y con masa no

nula. Es lo que, en otros contextos, se conoce como «dos errores

cuentan como un acierto». Anderson habla explícitamente sobre el

alcance de su análisis:

Es probable, por lo tanto, teniendo en cuenta la analogía de la

superconductividad, que se haya despejado el camino hacia una

teoría de vacío degenerado de tipo Nambu sin las

complicaciones que suponen tanto los bosones de gauge de

masa nula de Yang-Mills como los bosones de masa nula de

Goldstone. Ambos tipos de bosones parecen capaces de

«cancelarse mutuamente», dejando únicamente los bosones con

masa finita.

Sin embargo, a pesar de este análisis, los físicos de partículas no

recibieron el mensaje. O lo recibieron, pero no se lo creyeron. El

argumento de Anderson hacía referencia a las propiedades generales

de los campos en presencia de la ruptura espontánea de la simetría

de gauge, pero no propuso un modelo explícito con un campo

fundamental causante de la ruptura de simetría. Demostraba que se

podían sortear las conclusiones del teorema de Goldstone, pero no

explicaba con precisión dónde estaba el error en los presupuestos

de los que el teorema partía.

Y lo que es más importante todavía, en los sistemas de materia

condensada es fácil medir la velocidad con respecto al material



circundante. En el espacio vacío, por el contrario, no existe un

marco de referencia en reposo preferido: la relatividad nos garantiza

que todas las velocidades son creadas iguales.2 En las

demostraciones del teorema de Goldstone, la relatividad

desempeñaba un papel fundamental. Para muchos físicos de

partículas, el hecho de que Goldstone hubiese demostrado el

teorema rigurosamente se imponía sobre los ejemplos de Anderson

que lo contradecían, y apelaban a la relatividad para reconciliar las

diferencias. En 1963, Walter Gilbert, físico en Harvard, escribió un

artículo en el que exponía explícitamente este argumento. (Gilbert

estaba en esa época abandonando la física para dedicarse a la

biología. Pero no era la falta de talento la que motivaba el cambio de

carrera: en 1980 compartió el premio Nobel de Química por su

trabajo sobre los nucleótidos.) Un artículo de 1964 escrito por

Abraham Klein y Benjamin Lee estudiaba cómo se podía sortear el

teorema de Goldstone en un contexto no relativista, y sugería que se

podría aplicar igualmente un razonamiento similar cuando se

tuviese en cuenta la relatividad, pero sus argumentos no se

consideraron definitivos.

El propio Anderson era reticente a tomarse demasiado en serio la

idea de la ruptura espontánea de simetría en el espacio vacío, por

un motivo de peso que aún nos incomoda a día de hoy. Si tenemos

un campo con valor no nulo en el espacio vacío, esperamos que ese

campo transporte energía. Puede tratarse de una cantidad positiva

2 Referencia a la expresión «Todos los hombres son creados iguales», una de las «verdades evidentes» que recoge la Declaración de Independencia de Estados Unidos. (N. del T.)



de energía, o bien negativa, pero no hay ninguna razón especial por

la que deba ser cero. Einstein nos enseñó hace tiempo que la

energía en el espacio vacío —la energía del vacío— tiene un efecto

importante sobre la gravedad, acelerando o ralentizando la

expansión del universo (según la energía sea positiva o negativa). Un

cálculo rápido aproximado revela que la energía de la que estamos

hablando aquí es tan enorme que la habríamos detectado hace

mucho tiempo (o, para ser más precisos, no estaríamos aquí para

detectarla, porque el universo habría estallado o se habría

colapsado poco después del big bang). Este es «el problema de la

constante cosmológica», que continúa siendo una de las cuestiones

fundamentales aún por resolver en física teórica. A día de hoy,

creemos que es muy probable que existe una minúscula energía

positiva en el espacio vacío, la «energía oscura» que hace que el

universo se acelere y por la que se otorgó el premio Nobel de 2011.

Pero la magnitud numérica de la energía oscura es mucho menor de

lo que cabría esperar, por lo que el misterio sigue sin resolverse.

§. 1964: Englert y Brout

Todo físico, incluso cuando se encuentra en posesión de esa

preciada mercancía que llamamos «una buena idea», vive

constantemente con el temor de que alguien se le adelante, de que

la idea se le ocurra a otra persona y la publique antes que él.

Teniendo en cuenta la cantidad de ideas que es posible tener,

podríamos pensar que esto no sucede con frecuencia. Pero las ideas

no surgen de la nada: todos los científicos viven inmersos en un



mosaico de charlas y artículos y conversaciones informales, y es

muy habitual que dos o más personas que no se conocen entre sí

estén pensando sobre los mismos problemas. (En el siglo XVII, Isaac

Newton y Gottfried Leibniz inventaron el cálculo al mismo tiempo

sin coordinación previa.)

En 1964, el año en que los Beatles desembarcaron en Estados

Unidos como un ciclón, tres grupos independientes de físicos

hicieron sendas propuestas muy similares que demostraban cómo la

ruptura espontánea de una simetría local no produce ningún bosón

sin masa, sino solo partículas con masa que dan lugar a

interacciones de corto alcance. El primero en publicarse fue el

artículo escrito por François Englert y Robert Brout, de la

Universidad Libre de Bruselas (Bélgica). El siguiente en hacer acto

de presencia fue Peter Higgs, de Edimburgo (Escocia), con dos

artículos prácticamente simultáneos. A continuación, los

estadounidenses Cari Richard Hagen y Gerald Guralnik (que había

estudiado el doctorado bajo la tutela de Walter Gilbert) se asociaron

con el inglés Tom Kibble para publicar otro artículo. Los tres grupos

trabajaban independientemente, y cada uno merece recibir parte del

reconocimiento por inventar lo que se conoce como el «mecanismo

de Higgs», pero la discusión sobre en qué proporciones precisas ha

de repartirse dicho reconocimiento aún continúa abierta.

El artículo de Englert y Brout era breve y directo. Los dos físicos se

habían conocido en 1959, cuando Englert pasó una temporada en

Cornell como postdoc trabajando con Brout. El día que se

conocieron, salieron a tomar una copa, que acabaron siendo varias,



porque enseguida conectaron. Cuando Englert volvió a Bélgica en

1961 para ocupar un puesto de profesor, Brout y su mujer

organizaron una estancia temporal en Bruselas, y poco después

decidieron quedarse a vivir allí definitivamente. Siguieron siendo

buenos amigos y colaboradores hasta el fallecimiento de Brout, en

2011.

En su discusión contemplan dos tipos de campos: el bosón de gauge

transmisor de la fuerza y un conjunto de dos campos escalares,

causantes de la ruptura de simetría, que toman un valor no nulo en

el espacio. Es una configuración similar a la del trabajo de

Goldstone sobre la ruptura de una simetría global, con la

incorporación del campo de gauge que la simetría local exige. Pero

no les prestan mucha atención a las propiedades de los campos

escalares, sino que se concentran en lo que sucede con el campo de

gauge. Demuestran, mediante diagramas de Feynman, que adquiere

masa sin violar la simetría básica, lo cual está en perfecto acuerdo

con los requisitos de la relatividad y choca con la preocupación de

Gilbert. Todo esto lo hicieron, al parecer, sin tener conocimiento del

artículo que Anderson había publicado el año anterior.

§. 1964: Higgs

Peter Higgs, después de doctorarse por el University College de

Londres, se trasladó a Escocia para ocupar un puesto como lector

en la Universidad de Edimburgo. Higgs tenía conocimiento del

trabajo de Anderson y estaba interesado en demostrar

explícitamente cómo se podía sortear el teorema de Goldstone en



una teoría relativista. En junio de 1964 abrió el número más

reciente de Physical Review Letters (PRL), la revista estadounidense

de referencia sobre física, y se topó con el artículo de Gilbert. Un

tiempo después, lo recordaba así: «Creo que mi reacción fue decir

“mierda”, porque parecía que eso cerraba la puerta a las ideas de

Nambu». Pero Higgs no se dio por vencido. Recordó que Schwinger

había encontrado un fallo en el razonamiento habitual según el cual

los bosones de gauge deben carecer de masa por motivos de

simetría, y pensó que sería posible extender ese fallo también al

caso de la ruptura espontánea de simetrías. Consciente de que era

un asunto muy importante, Higgs escribió rápidamente un artículo

breve que se publicó en Physics Letters, la homologa europea de

Physical Review Letters. En él, por primera vez, se demostraba

explícitamente cómo se podían eludir los presupuestos del teorema

de Goldstone en el caso de una simetría de gauge, incluso cuando la

relatividad se respeta escrupulosamente.

Lo que Higgs no proponía en su primer artículo era un modelo

específico para la erradicación de los bosones sin masa. Y eso fue

exactamente lo que aportó el segundo artículo, en el que examinaba

el comportamiento de un par de campos escalares como los de

Goldstone, responsables de la ruptura de simetría, acoplados a un

campo de gauge transmisor de la fuerza, y demostraba que el campo

de gauge engullía el bosón de Nambu-Goldstone para dar lugar a un

único bosón de gauge con masa. Envió este segundo artículo

también a Physics Letters, que lo rechazó de inmediato. Esto pilló

por sorpresa a Higgs, que no podía entender cómo una revista



publicaba un artículo afirmando que: «Los bosones con masa son

posibles», pero no otro que dijese: «He aquí un modelo real que

incluye bosones de gauge con masa». Pero, una vez más, se negó a

darse por vencido. Añadió un par de párrafos en los que

desarrollaba las consecuencias físicas del modelo y lo remitió a

Physical Review Letters, en Estados Unidos, donde fue aceptado. El

árbitro que lo revisó —que, según Higgs pudo saber más tarde, era

Nambu— recomendó que se incluyese una referencia al artículo de

Englert y Brout, recién publicado.

Entre las cosas que Higgs añadió tras el rechazo de su segundo

artículo estaba un comentario en el que señalaba que su modelo no

solo hacía que los bosones de gauge tuvieran masa, sino que

también predecía la existencia de un bosón escalar con masa (la

primera aparición explícita de nuestro querido «bosón de Higgs»).

Recuerda que el modelo de Goldstone de ruptura de una simetría

global precedía varios bosones de Nambu-Goldstone sin masa, pero

también una partícula escalar con masa. En el caso de una simetría

local, los aspirantes a bosones escalares sin masa eran engullidos

por los campos de gauge, que adquirían masa. Pero el campo

escalar con masa de la teoría de Goldstone sigue existiendo en la de

Higgs. Englert y Brout no hablaron de esta otra partícula aunque,

restrospectivamente, está implícita en sus ecuaciones (como lo

estaba en el trabajo de Anderson).

Mirando un poco hacia el futuro, en la implementación en el mundo

real del mecanismo de Higgs en el Modelo Estándar, antes de la

ruptura de simetría partimos con cuatro bosones escalares y tres



bosones de gauge sin masa. Cuando la simetría se rompe porque los

escalares toman un valor no nulo en el espacio vacío, tres de los

bosones escalares son engullidos por los bosones de gauge. Nos

quedamos, pues, con tres bosones de gauge con masa (los W y el Z)

y un escalar con masa (el Higgs). Otro bosón de gauge carece de

masa tanto al principio como al final: el fotón. (De hecho, el fotón es

una combinación de varios de los bosones de gauge iniciales, pero

las cosas ya son bastante complicadas como para que entremos en

más detalles.) En cierto sentido, en los años ochenta descubrimos

tres cuartas partes de los bosones de Higgs, cuando encontramos

los W y el Z.

Aunque se podría discutir si fue Anderson, Englert y Brout, o Higgs

quien propuso por primera vez el mecanismo de Higgs por el cual

los bosones de gauge adquieren masa, el propio Higgs tiene

argumentos para defender que a él se debe la primera aparición del

bosón de Higgs, la partícula que ahora utilizamos como evidencia de

que así es como funciona la naturaleza. (Otros podrían señalar —y

de hecho, lo hacen— que los artículos anteriores podrían haber

mencionado el bosón de Higgs, pero no lo hicieron, porque su

existencia debería resultar obvia una vez que el resto del trabajo

estaba hecho.) En 1966, en un artículo posterior, Higgs estudió con

más detenimiento las propiedades de este bosón. Pero si la versión

inicial de su artículo no hubiese sido rechazada por Physics Letters

puede que nunca le hubiese prestado atención al bosón.

Higgs tenía perfecto conocimiento del artículo de Anderson de 1963.



Esto es lo que sucede cuando se rompe espontáneamente una

simetría local, que se puede comparar con el caso de la simetría

global que hemos visto antes. Ahora, la situación simétrica contempla

tanto bosones de gauge sin masa como escalares con masa. Los

bosones que carecerían de masa tras la ruptura de simetría son

engullidos por los bosones de gauge, que adquieren masa. Hay un

único bosón escalar con masa restante: el bosón de Higgs.

Suele atribuirle a Anderson buena parte del mérito, pero argumenta

que este no fue lo suficientemente lejos: «Anderson debería haber

hecho, básicamente, las dos cosas que hice yo. Debería haber

demostrado el fallo en el teorema de Goldstone y debería haber

desarrollado un sencillo modelo relativista para mostrar lo que

sucedía. No obstante, siempre que doy una charla sobre el

denominado mecanismo de Higgs empiezo con Anderson, que acertó

en su planteamiento, aunque nadie lo comprendiese a él».



Guralnik, Hagen y Kibble completaron su artículo después —

aunque muy poco — de que los de Englert y Brout y Higgs se

hubiesen publicado. El artículo de GHK surgió de las prolongadas

conversaciones entre Guralnik y Hagen, que habían estudiado

juntos la carrera en el MIT y que escribieron su primer artículo

juntos después de que Hagen continuase con sus estudios de

doctorado en el MIT y Guralnik se trasladase río arriba a Harvard.

Esas conversaciones dieron sus frutos una vez que Guralnik realizó

una estancia posdoctoral en el Imperial College de Londres, donde

Abdus Salam daba clase y la ruptura espontánea de simetría era un

tema en boga. Kibble también era profesor allí, y habló a menudo

con Guralnik sobre la manera de eludir el teorema de Goldstone.

Una visita de Hagen fue el detonante para que el trío plasmase sus

resultados en un artículo.

Según han contado años después, en octubre de 1964, Hagen y

Guralnik «estaban literalmente metiendo el manuscrito en el sobre

para enviarlo a PRL, [cuando] Kibble entró en el despacho con los

dos artículos de Higgs y el de Englert y Brout». Este último había

sido remitido el 26 de junio de 1964 y se publicó en agosto; los dos

artículos de Higgs se remitieron el 27 de julio y el 31 de agosto, y

aparecieron en septiembre y octubre, respectivamente; el artículo de

GHK se presentó el 12 de octubre, y se publicó en noviembre. Su

reacción inmediata fue la de reconocer que estos trabajos, que hasta

ese momento desconocían, eran relevantes, pero no sintieron que se

les hubiesen adelantado. GHK pensaban que Englert-Brout y Higgs

habían resuelto con éxito la cuestión de cómo podían adquirir masa



los bosones de gauge a través de la ruptura espontánea de simetría,

pero no se habían enfrentado directamente al asunto de dónde

estaba exactamente el error en el teorema de Goldstone, algo que

preocupaba mucho al trío anglo-estadounidense. Creían que la

discusión por parte de Englert-Brout de lo que sucedía con los

distintos campos en vibración era algo oscura, y que los artículos de

Higgs eran completamente clásicos, que no estaban formulados en

el lenguaje de la mecánica cuántica.

Habida cuenta de ello, GHK sacaron el artículo del sobre e

incluyeron una referencia a esos trabajos tan recientes:

«Estudiaremos como ejemplo una teoría que ha sido parcialmente

resuelta por Englert y Brout, y que guarda un cierto parecido con la

teoría clásica de Higgs». Puesto que la invención casi simultánea de

ideas es algo bastante habitual, se ha establecido una convención

en la literatura física: si aparece otro artículo antes de que el tuyo

esté finalizado, incluyes una nota al final con una referencia al

mismo, acompañada de la siguiente explicación: «Mientras este

trabajo se estaba completando, recibimos un artículo relacionado

escrito por...». GHK olvidaron hacerlo explícitamente, pero nadie

duda de que su artículo estaba en buena medida acabado cuando

tuvieron noticias del resto de los artículos. Es lo suficientemente

distinto, y se envió tan poco tiempo después de que apareciesen los

otros, que no cabe la posibilidad de que simplemente se basasen en

los artículos de Englert-Brout y Higgs.

Guralnik, Hagen y Kibble le dan al problema de la ruptura

espontánea de una simetría de gauge un tratamiento plenamente



cuántico. Se centran con especial atención en la cuestión de cómo

eludir los presupuestos de partida del teorema de Goldstone. No

obstante, no explican el bosón de Higgs demasiado bien. Aunque se

espera que el verdadero Higgs tenga masa, GHK deciden hacer que

su masa sea nula. Su único comentario explícito acerca de esta

partícula es simplemente: «Aunque, al inspeccionarla, observamos

que la teoría contempla una partícula sin masa, es fácil ver que esta

está completamente desacoplada de las demás excitaciones (con

masa) y que no tiene nada que ver con el teorema de Goldstone».

Esas afirmaciones son ciertas dentro el modelo que están

estudiando, pero únicamente porque establecen a mano que tanto

los acoplamientos como la masa son nulos. En el mundo real,

esperamos que el Higgs posea masa y se acople con otras partículas.

Hubo otro equipo más que siguió esa misma dirección, si bien con

algo de retraso (unos pocos meses). En aquella época existían

numerosos obstáculos burocráticos que dificultaban la

comunicación entre la Unión Soviética y Occidente. Por eso, en

1965, cuando los físicos Alexander Migdal y Alexander Polyakov —

ambos de diecinueve años por aquel entonces— reflexionaban sobre

la ruptura espontánea de simetría en teorías de gauge, no estaban

al corriente de ninguno de los artículos publicados en 1964. Su

trabajo independiente tuvo que superar el estricto filtro de unos

árbitros incrédulos, y no apareció hasta 1966.

A pesar de toda esta actividad simultánea, muchos físicos seguían

mostrándose reticentes a aceptar que las simetrías locales

ofreciesen una vía para escapar de las partículas sin masa. Higgs



cuenta la historia de cuando impartió un seminario en Harvard,

donde el teórico Sidney Coleman había incitado a sus alumnos a

«hacer pedazos a este bufón que se cree más listo que el teorema de

Goldstone». (Puedo dar fe de la veracidad de la historia, porque el

propio Coleman la refirió cuando fui alumno suyo en la clase de

teoría cuántica de campos muchos años después.) Pero Englert,

Brout, Higgs, Guralnik, Hagen y Kibble tenían algo importante a su

favor: la razón. Muy poco después, se haría buen uso de sus ideas

en uno de los mayores logros de lo que ahora conocemos como el

Modelo Estándar.

§. Las interacciones débiles

Toda esta discusión sobre distintos tipos de ruptura espontánea de

simetría se había centrado en cuestiones fundamentales de la teoría

cuántica de campos: ¿qué puede suceder, y en qué circunstancias?

Estaba aún por ver si los fenómenos descritos eran de hecho

relevantes en el mundo real. Sin embargo, no pasó mucho tiempo

hasta que encontraron acomodo definitivo en nuestra comprensión

de las interacciones débiles.

La primera teoría prometedora de las interacciones débiles la

inventó Enrico Fermi en 1934. Fermi aplicó la reciente idea del

neutrino, que Wolfgang Pauli había propuesto poco tiempo antes,

para desarrollar un modelo de la desintegración de los neutrones,

que actualmente diríamos que está mediada por las interacciones

débiles. El cálculo de Fermi supuso también uno de los primeros

éxitos de la teoría cuántica de campos, como hemos visto en el



capítulo 7.

La teoría de Fermi encajaba bien con los datos, pero solo si no se

forzaba demasiado. En muchos de los cálculos en teoría cuántica de

campos, primero se busca una solución aproximada, que después

se va mejorando poco a poco, básicamente al incluir las

contribuciones de los diagramas de Feynman más complejos. En la

teoría de Fermi, el resultado de la primera aproximación es muy

bueno, pero la siguiente aportación (que debería ser una pequeña

corrección) resulta ser infinitamente grande. Este es un problema

grave, que se ceñiría sobre la física de partículas a lo largo de todo el

siglo XX. Desde luego, las soluciones infinitas no son correctas, por

lo que son señal de que la teoría no es muy buena. Una teoría tiene

que ajustarse a los datos, pero también debe tener sentido desde un

punto de vista matemático.

El problema de las soluciones infinitas no se limitaba a las

interacciones débiles, también llegaba hasta el electromagnetismo,

que debería ser una de las teorías cuánticas de campos más

sencillas y fáciles de entender. Sin embargo, resultó que en ese

dominio los infinitos se pudieron controlar. El proceso para hacerlo,

conocido como «renormalización», es el que les supuso el premio

Nobel a Feynman, Schwinger y Tomonaga.

Algunas teorías de campos son renormalizables —existen técnicas

matemáticas bien definidas para obtener soluciones finitas— y otras

no lo son. En la teoría cuántica de campos moderna, cuando una

teoría no es renormalizable no se descarta directamente.

Simplemente, nos limitamos a reconocer que se trata, como



máximo, de una aproximación, válida solo quizá para energías muy

bajas, y que a energías más elevadas debe existir física nueva que

permita controlar los infinitos. Sin embargo, durante mucho tiempo,

el hecho de que una teoría no fuese renormalizable se tomaba como

una señal de que no había manera de repararla. La teoría de Fermi

de las interacciones débiles resultó ser no renormalizable: cuando se

la exprime demasiado da soluciones infinitas, y no hay manera de

arreglarla que no pase por sustituirla por una teoría mejor.

Julián Schwinger, que había mostrado interés por la idea de Yang-

Mills según la cual simetrías más elaboradas podrían producir

campos de conexión que permitiesen explicar las fuerzas de la

naturaleza, enseguida aplicó la idea a las interacciones débiles.

Pero, obviamente, surgía un problema inmediato: se supone que los

bosones de Yang-Mills carecen de masa, lo que implica que la fuerza

es de largo alcance, pero la interacción débil es claramente de corto

alcance. Schwinger se limitó a dejar de lado este problema: partió de

un modelo de Yang-Mills e impuso a mano que dos de los bosones

que transmiten las fuerzas tuviesen masa. Esta fue la primera

aparición de lo que ahora conocemos como bosones W+ y W-. (Al

menos, una de las primeras. Según León Lederman: «Las versiones

más modernas de la teoría de Fermi, en particular la de Schwinger,

introdujeron los W+ y W- pesados como transmisores de la fuerza

débil. Lo mismo hicieron varios otros teóricos, como Lee, Yang, Gell-

Mann... Me da miedo mencionar a algún teórico, porque eso hará

que el 99 por ciento restante se enfaden».)



Diferentes visiones de las interacciones débiles, tomando como

ejemplo la desintegración del neutrón. En la teoría de Fermi, un

neutrón se desintegra directamente en un protón, un electrón y un

antineutrino. Schwinger propuso que el neutrón emitiría un bosón W-,

que después se desintegraría en un electrón y un antineutrino.

Estaba en lo cierto, pero ahora sabemos que el neutrón está formado

por tres quarks, uno de los cuales pasa de up a down al emitir un W-.

El motivo por el que los bosones de Yang-Mills tenían masa nula es

la simetría que está en la base de la teoría. Al conferirles masa,

Schwinger dejó entrever que la simetría estaba rota, pero en este

caso se trataba de una ruptura explícita, no espontánea (en la que

la simetría estaría oculta por un campo cuyo valor en el espacio

vacío sería distinto de cero, que no se había inventado aún).



No era un campo el que la rompía, sino el propio Schwinger quien lo

decidía. Como habrá supuesto el lector, esta construcción ad hoc

causó estragos en el modelo. Por una parte, la posibilidad de

renormalizar el electromagnetismo depende crucialmente de la

simetría básica de la teoría y, al hacer caso omiso de dicha simetría,

Schwinger propiciaba que su modelo no fuese renormalizable. Más

adelante se llegaría a la conclusión de que una teoría de bosones de

gauge con masa solo es renormalizable si y solo si las masas

proceden de la ruptura espontánea de la simetría. Pero aún habrían

de pasar varios años.

No obstante, Schwinger no se empecinó en una teoría arriesgada

por pura cabezonería. Una de las características de los genios es

que reconocen cuáles son las ideas que merece la pena explorar,

aunque parezca que aún no funcionan. Una propiedad interesante

del modelo de Schwinger es que, de hecho, predecía la existencia de

tres bosones de gauge: los dos bosones W con carga, a los que él les

asignaba masa, y un único bosón de gauge neutral, que podía

seguir teniendo masa nula. Todos conocemos un bosón de gauge

neutro y sin masa: el fotón, por supuesto. Schwinger se sintió

espoleado por la idea de que este enfoque ofrecía la promesa de

unificar el electromagnetismo con las interacciones débiles, lo que

supondría un gran paso adelante para la física. Probablemente, eso

fue lo que lo llevó a perseverar pese a los problemas que presentaba

su modelo.

Pero no perseveró durante mucho tiempo. El artículo de Schwinger

se publicó en 1957, y ese mismo año se descubrió que las



interacciones débiles violan la paridad. Recuerde del capítulo 8 (y el

apéndice 1) que las partículas son o bien levógiras o dextrógiras,

dependiendo de cómo roten. La violación de la paridad significa que

las interacciones débiles se acoplan con las partículas levógiras,

pero no con las dextrógiras. Es posible inventar simetrías de Yang-

Mills en las que solo intervengan las partículas levógiras, pero

sabemos que el electromagnetismo no viola la paridad (dispensa el

mismo trato a izquierda y derecha). Parecía que este descubrimiento

acababa con todas las esperanzas de Schwinger de unificar las

fuerzas débil y electromagnética.

A veces, como profesor, lo correcto no es darse por vencido, sino

pasarle todas tus cuestiones a un estudiante de doctorado.

Afortunadamente, Schwinger tenía un alumno muy joven y brillante

a su disposición: Sheldon Glashow, a quien le asignó la tarea de

pensar sobre la unificación del electromagnetismo y las

interacciones débiles. La personalidad de Glashow es expansiva y

carismática y, como físico, le encanta saltar rápidamente de una

idea a otra. Esta inclinación le fue muy útil en la búsqueda de la

unificación, pues siempre estaba dispuesto a proponer una teoría y

pasar enseguida a la siguiente. Tras varios años reflexionando sobre

el asunto de manera intermitente, llegó a un esquema prometedor

para lo que acabaría denominándose «unificación electrodébil».

El punto delicado era la paridad: el electromagnetismo la preserva,

mientras que las interacciones débiles la violan. ¿Cómo podrían

unificarse? La idea de Glashow consistió en introducir dos simetrías

distintas: una que trata por igual a las partículas levógiras y



dextrógiras, y otra que las trata de manera diferente. El lector

podría pensar que esto no es ningún avance: tener dos simetrías

distintas no parece que sea una gran unificación. El secreto del

modelo de Glashow es que ambas simetrías se rompían, pero de tal

manera que una determinada combinación de ambas permanecía

intacta.

Imaginemos dos ruedas dentadas. Cada una de ellas puede rotar de

manera independiente, como las dos simetrías iniciales de Glashow.

Pero, si las juntamos, los dientes de ambas ruedas se engranan

entre sí, y ahora solo pueden moverse al compás. Tienen menos

libertad que antes. En el modelo de Glashow, la simetría que

permanece intacta es como la capacidad de mover ambas ruedas

juntas, mientras que la simetría rota es similar a la imposibilidad de

moverlas a distintas velocidades. El bosón de gauge sin carga ni

masa que corresponde a la simetría intacta de Glashow es por

supuesto el fotón.

Esta idea parecía capaz de acomodar las características conocidas

tanto de las interacciones débiles como de la electromagnética.

(Seguía adoleciendo del problema de que las masas de los bosones

de gauge se añadían a mano, y la teoría no era renormalizable.) Pero

se desviaba de lo conocido al predecir un nuevo bosón de gauge: sin

carga eléctrica pero con masa, lo que ahora conocemos como Z. Por

aquel entonces, no había evidencia de que tal partícula existiese,

por lo que el modelo no suscitó demasiado interés.

Aunque la selección de los ingredientes que Glashow combinó en su

intento de unificar el electromagnetismo con las interacciones



débiles puede parecer algo arbitraria, claramente hay en ella algo de

razonable: Al otro lado del océano, en Gran Bretaña, en el Imperial

College de Londres, Abdus Salam y John Ward estaban

construyendo una teoría casi idéntica. Individualmente, cada uno

de estos dos físicos atesoraba importantes méritos. Ward, nacido en

Gran Bretaña pero que había pasado varios años viviendo en

Australia y Estados Unidos, era un pionero de la electrodinámica

cuántica. Probablemente sea conocido sobre todo por las

«identidades de Ward» en teoría cuántica de campos, relaciones

matemáticas que hacen que se respeten las simetrías locales.

Salam, que había nacido en Pakistán cuando, junto con la India,

aún estaba bajo control británico, acabaría entrando en política y se

convertiría en un promotor de la ciencia en los países en vías de

desarrollo. Colaboraban con frecuencia, y juntos habían realizado

algunos de sus mejores trabajos sobre la cuestión de la unificación

de fuerzas.

Siguiendo una lógica muy similar a la de Glashow, Salam y Ward

inventaron un modelo con dos simetrías distintas, una de las cuales

violaba la paridad y la otra no, y que predecía un fotón sin masa y

tres bosones de gauge débiles con masa. Su artículo se publicó en

1964, aparentemente sin que sus autores tuviesen conocimiento del

trabajo previo de Glashow. Como él, en su modelo rompían

simetrías a discreción, pero, a diferencia de Glashow, no tenían

excusa para hacerlo: sus despachos se encontraban literalmente en

el mismo pasillo que los de Guralnik, Hagen y Kibble, que estaban

plenamente concentrados en la ruptura espontánea de simetría.



El fallo de comunicación pudo deberse, en parte, a la naturaleza

reservada de Ward. En su libro The Infinity Puzzle, Frank Cióse

relata una historia reveladora que le contó Gerald Guralnik:

Guralnik y Ward estaban comiendo juntos en un pub, y Guralnik

empezó a hablar de su trabajo —aún incompleto— sobre

simetrías ocultas. «No conseguí hablar mucho antes de que

[Ward] me callase y procediese a explicarme que no debería

comentar libremente ideas que aún no hubiese publicado,

porque me las podrían robar y publicarlas antes de que hubiese

podido finalizar mi trabajo con ellas.»

Como consecuencia de esta admonición, Guralnik no le preguntó a

Ward sobre el trabajo que este estaba llevando a cabo con Salam.

Incluso aunque adopte una postura tan precavida en cuanto a

comentar trabajos sin publicar, ni siquiera el más reservado de los

físicos se muestra reacio a hablar de los que ya se han publicado.

Sin embargo, por el motivo que fuera, Salam y Ward no se enteraron

de lo que Guralnik, Hagen y Kibble proponían hasta varios años

más tarde. Salam acabaría sabiendo de estos trabajos a través de

sus conversaciones con Tom Kibble, y durante años se refirió a él

como el «mecanismo de Higgs-Kibble».

§. Encajando todas las piezas

Las últimas piezas del rompecabezas se pusieron en su sitio en

1967. Steven Weinberg había coincidido con Sheldon Glashow en el

Bronx High School of Science, pero nunca colaboraron directamente



en el trabajo teórico por el que ambos compartirían el premio Nobel

con Salam en 1977. Hoy en día, Weinberg es un veterano y

respetado anciano de la tribu de la física, autor de varios libros

influyentes, así como de numerosos artículos en The New York

Review of Books, entre otros. También fue un defensor destacado

del Supercolisionador Superconductor (y lo habría sido incluso

aunque no se hubiese construido en Texas, adonde se trasladó en

1982).

En 1967, Weinberg era un joven profesor en el MIT que llegaba cada

día al campus al volante de un Camaro rojo. Estaba profundamente

interesado por la ruptura espontánea de simetría, pero la utilizaba

para tratar de entender las interacciones fuertes. Inspirado por un

artículo reciente de Kibble, Weinberg estaba jugando con un

conjunto de simetrías que, sin que él lo supiese entonces,

guardaban un estrecho parecido con las que estaban estudiando

Glashow, Salam y Ward. El problema era que seguía prediciendo un

bosón de gauge sin masa ni carga, lo cual parecía que no existía en

las interacciones fuertes.

En septiembre de ese año, Weinberg de pronto cayó en la cuenta de

que había estado tratando de resolver el problema equivocado. Su

modelo, que tantas complicaciones presentaba para las

interacciones fuertes, funcionaba muy bien como teoría de las

interacciones débiles y electromagnéticas. El molesto bosón sin

masa no era un defecto, sino una virtud: se trataba del fotón. En un

breve artículo titulado «A Theory of Leptons», Weinberg agrupó lo

que, hoy en día, cualquier estudiante de doctorado en física de



partículas reconocería inmediatamente como lo que se conoce como

el sector «electrodébil» del Modelo Estándar. Entre sus referencias

citó el artículo de Glashow, pero aún no estaba al tanto del

publicado por Salam y Ward. Utilizando las ideas de Kibble, fue

capaz de hacer una predicción directa de las masas de los bosones

W y Z, cosa que ni Glashow ni Salam y Ward habían podido hacer,

puesto que habían añadido a mano los valores de las masas.

Weinberg explicó el mecanismo por el que todos los fermiones en la

teoría, así como los bosones de gauge, adquirían masa. Incluso

señaló que el modelo podría ser renormalizable, aunque no supo

ofrecer entonces ningún argumento convincente. Por fin se había

construido una teoría coherente de la unificación electrodébil.

Prácticamente al mismo tiempo, Kibble y Salam por fin cayeron en

la cuenta de que compartían interés por la ruptura de simetría, y

Kibble le explicó la teoría a Salam. Este comprendió que podría

adaptar el modelo que había propuesto con Ward para incluir los

bosones escalares responsables de la ruptura de simetría, y

compartió sus ideas en varias charlas ante un público reducido en

el Imperial College. Por motivos que se desconocen, Salam no

plasmó sus ideas por escrito de inmediato. Como físico, era

extremadamente prolífico, pero su interés principal en esos días era

la gravedad, no las fuerzas subatómicas. En consecuencia, su

propuesta para añadir un mecanismo de Higgs al modelo de Salam-

Ward no se publicó hasta un año más tarde, cuando la incluyó en

las actas de la ponencia que presentó en un congreso (y donde

también cita el artículo de Weinberg).



Los artículos por separado de Weinberg y Salam tuvieron el impacto

—como dijo Kurt Vonnegut en un contexto diferente— de una tortita

de cuatro metros de diámetro lanzada desde una altura de cinco

centímetros. En el mundo académico, y en la ciencia en particular,

la manera más concreta de cuantificar la influencia de una

investigación es contar cuántas veces se cita el artículo en otros

artículos. Entre 1967 y 1971, el de Weinberg apenas se citó un

puñado de veces. Ambos autores ni siquiera desarrollaron sus ideas

mucho más en los años siguientes. Sin embargo, desde 1971 el

artículo de Weinberg ha sido citado más de 7.500 veces, un

promedio de una vez cada dos días durante cuatro décadas.

¿Qué ocurrió en 1971? ¿Hubo algún resultado experimental

sorprendente? No. Lo que hubo fue un resultado teórico

sorprendente: Gerard „t Hooft, un joven estudiante de doctorado en

los Países Bajos, que trabajaba bajo la dirección de Martinus «Tini»

Veltman, demostró que las teorías con ruptura espontánea de

simetrías son renormalizables, incluso aunque los bosones de gauge

tengan masa. Dicho de otro modo, „t Hooft demostró que la teoría

electrodébil tenía sentido matemáticamente. Esto era algo que tanto

Weinberg como Salam habían conjeturado, pero muchos de sus

colegas seguían sin verlo claro, lo que explica en parte la poca

atención que sus ideas habían recibido hasta ese momento. En

palabras de Sidney Coleman, „t Hooft «reveló que la rana de

Weinberg y Salam era un príncipe encantado». Desde entonces,

Gerard „t Hooft se ha ganado la reputación de ser una de las mentes

más creativas y brillantes de la física. Veltman y él compartieron el



premio Nobel de 1999 por su trabajo sobre la teoría electrodébil y la

ruptura espontánea de simetría.

No obstante, los resultados experimentales sorprendentes no

tardaron en llegar. La principal predicción novedosa de los modelos

de Glashow, Salam- Ward y Weinberg era la existencia de un bosón

neutro y pesado, el Z. Los efectos de los bosones W eran bien

conocidos: su emisión hace que varíe la identidad de un fermión

(por ejemplo, al transformar un quark down en uno up durante la

desintegración de un neutrón). Si el Z existiese, eso supondría que

existiría a su vez una versión de las interacciones débiles en la que

las partículas conservarían sus identidades; por ejemplo, un núcleo

atómico podría dispersar a un neutrino. Fueron precisamente

eventos de este tipo los que se observaron en el detector Gargamelle

del CERN en 1973, lo que propició que Glashow, Salam y Weinberg

compartiesen el premio Nobel en 1979. (Ward se quedó fuera, pues

solo tres personas como máximo pueden compartir el premio cada

año.) A diferencia de sus efectos indirectos, los bosones W y Z en sí

no se descubrieron hasta que Cario Rubbia los encontró unos pocos

años después.

Lo único que quedaba por descubrir era el bosón de Higgs.

§. Dando nombres

Los físicos son seres humanos. Normalmente los motiva lo que

Richard Feynman llamaba «el placer de descubrir», pero cuando

encuentran algo interesante agradecen que se les reconozca su

trabajo. A lo largo de este libro, siguiendo la costumbre



prácticamente universal en la comunidad física, me he venido

refiriendo al «mecanismo de Higgs» como aquel por el que los

bosones de gauge adquieren masa a través de la ruptura

espontánea de simetría, y al «bosón de Higgs» como la partícula

escalar que este modelo predice. Queda claro no obstante que,

aunque las aportaciones de Higgs fueron importantes, no estuvo ni

mucho menos solo. ¿Por qué es ese el nombre, y cuál debería haber

sido?

Nadie está del todo seguro de dónde procede originalmente el

término «bosón de Higgs». Desde luego, no del propio Higgs. La

tradición señala a Benjamín Lee, el brillante físico coreano-

estadounidense que murió en un trágico accidente de coche en

1977. Lee tuvo conocimiento de la ruptura espontánea de simetría a

través de sus conversaciones con Higgs, y la historia dice que dio

una charla seminal en una conferencia en el Fermilab en 1972,

durante la cual se refirió en repetidas ocasiones al «mesón de

Higgs». Era el momento inmediatamente posterior al revolucionario

resultado de „t Hooft, cuando todo el mundo se las veía y se las

deseaba para entender estas nuevas ideas. Precisamente porque los

físicos son seres humanos, la pereza los lleva a seguir utilizando las

primeras palabras que oyeron para referirse a un asunto, de manera

que una charla que tuviese mucha repercusión puede hacer mucho

por difundir una determinada nomenclatura.

Otra teoría se remonta al artículo de Weinberg de 1967. Cuando se

publicaron los artículos originales en 1964, no había muchos físicos

que estuviesen pensando sobre rupturas espontáneas de simetría



en teorías de gauge. Tras el gran avance que supuso el resultado de

„t Hooft en 1971, fueron muchos los que trataron de ponerse al día,

y el artículo de Weinberg constituía un buen punto de partida. En

su discusión del mecanismo de Higgs, Weinberg hace referencia a

tres artículos escritos por Higgs, así como al de Englert y Brout y a

otro de Hagen, Guralnik y Kibble. Sin embargo, Higgs aparece el

primero en su lista de referencias, debido a una confusión entre

Physical Review Letters (donde apareció el segundo artículo de

Higgs) y Physics Letters (donde se publicó el de Englert y Brout). De

pequeños lapsus como este vienen duraderas consecuencias.

Quizá lo más importante sea que «bosón de Higgs» suena bien como

nombre de una partícula. Los artículos de Higgs fueron los primeros

en llamar la atención sobre la partícula bosónica, en lugar de

centrarse en el «mecanismo» a través del que surge, pero eso no

parece suficiente para explicar la convención en torno al nombre.

Cabría preguntarse, entonces, cuál podría ser la alternativa. En los

primeros tiempos habría sido posible idear un término que no

derivase del nombre de una persona. El «bosón radial», quizá, o el

«vestigión», pues el bosón es el único vestigio del proceso de ruptura

de la simetría. «Bosón electrodébil» podría valer, aunque se correría

el riesgo de confundirlo con los bosones W y Z, por lo que «bosón

electrodébil escalar» sería más preciso.

Pero, a falta de una expresión como las anteriores (que tampoco es

que sean demasiado buenas), es difícil hacer justicia a la historia al

elegir un nombre. El propio Higgs se refiere al «bosón al que le han

puesto mi nombre», y a veces habla del «mecanismo ABEGHHK‟tH»



(por Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble y „t

Hooft, por si alguien lleva la cuenta). Joe Lykken, del Fermilab,

prefiere a Nambu en lugar de „t Hooft y utiliza así «HEHKBANG», un

acrónimo que al menos se puede pronunciar, aunque no sea mucho

más atractivo. «Sería una bobada», concede el propio Lykken.

En última instancia, hay que reconocer que el nombre de la

partícula no es más que una etiqueta. No es una historia exhaustiva

y justa del desarrollo de una idea, ni debería entenderse como tal.

Podemos llamarlo «bosón de Higgs» sin dar por supuesto que Higgs

es el único que merece reconocimiento. (Habida cuenta de las

dificultades de financiación de la física de partículas actual,

sospecho que mucha gente estaría más que dispuesta a vender los

derechos del nombre por 10.000 millones de dólares. ¿«El bosón

McDonald‟s», por ejemplo?)

§. El veredicto de la historia

En la historia tal y como la hemos contado, Nambu y Goldstone

contribuyeron a asentar nuestra comprensión de la ruptura

espontánea de simetría, pero ambos se centraron en el caso de las

simetrías globales. Anderson señaló que las simetrías de gauge son

diferentes, y en particular que no dejan ningún vestigio en forma de

partículas sin masa, pero no construyó un modelo explícitamente

relativista. Esto lo hicieron de manera independiente Englert y

Brout; Higgs y Guralnik, y Hagen y Kibble. Los tres grupos siguieron

sendas ligeramente distintas, pero obtuvieron básicamente las

mismas soluciones, y los tres merecen buena parte del



reconocimiento. Como también lo merece „t Hooft, que demostró que

la idea tenía sentido desde un punto de vista matemático.

La tradición dice que los premios Nobel en ciencia se otorgan a

individuos concretos, no a grupos, y a un máximo de tres personas

cada año. No cabe duda de que los candidatos están tomando

posiciones, al menos discretamente, „t Hooft y Veltman ya ganaron

el Nobel por su trabajo sobre la renormalización de la teoría

electrodébil. Anderson lo obtuvo por algo completamente distinto,

pero, siendo realistas, eso influye negativamente sobre la posibilidad

de que lo obtenga de nuevo (aunque el hecho de haber sido el

primero pese a su favor). Robert Brout falleció en 2011, y los

premios Nobel no se conceden a título póstumo.

En 2004 se les concedió el premio Wolf de Física —que a veces se

califica como el segundo más prestigioso, después del Nobel— a

Englert, Brout y Higgs, pero no a Guralnik, Hagen y Kibble. En un

encuentro «Higgs Hunting» celebrado en Francia en 2010, el póster

que lo anunciaba hace mención directa a «Brout, Englert y Higgs»,

dejando fuera por completo a GHK. Esto provocó un cierto rechazo,

y los partidarios del trío anglo-estadounidense amenazaron con

boicotear la conferencia. A Gregorio Bernardi, uno de los

organizadores, le sorprendieron las críticas: «La gente se toma esto

muy en serio. No nos lo esperábamos». Lo cual no parece del todo

cierto: si a uno le preocupa lo suficiente el reparto del

reconocimiento como para asociar los nombres de Englert y Brout a

un bosón conocido umversalmente como el «de Higgs», no puede

sorprenderle que Guralnik, Hagen y Kibble (o sus partidarios) se



molesten. La tensión se rebajó en parte cuando la Sociedad

Americana de Física concedió su premio Sakurai 2010 en física

teórica a Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout y Kibble (en ese

orden, que parece haber sido elegido para que nadie pudiese

quejarse; aunque Anderson tendría motivos razonables para

hacerlo).

Como recalca Anderson decepcionado: «Si quieres que la historia sea

correcta hasta en los detalles, lo mejor es que la escribas tú mismo».

En los últimos años, Guralnik, Higgs, Kibble y Brout y Englert han

dejado constancia por escrito de cómo recuerdan su trabajo durante

1964, intentando así poner sus propias aportaciones en perspectiva.

Y habida cuenta de la era en la que vivimos, la controversia se

desató en Wikipedia, la enciclopedia online que cualquiera puede

editar. En agosto de 2009, un usuario conocido simplemente como

«Mary del CERN» publicó una nueva entrada bajo el título «1964 PRL

Symmetry Breaking Papers». Ya existían entradas separadas para

«Ruptura espontánea de simetría» y «Mecanismo de Higgs», y demás.

Este nuevo artículo se centraba exclusivamente en cómo debería

asignarse el reconocimiento y, aunque comentaba todos los

artículos, era evidente por quién se decantaba: «Se puede

argumentar que, aunque fueron los primeros en publicar con un par

de meses de diferencia, Higgs y Brout-Englert solucionaron la mitad

del problema, la obtención de masa por parte de la partícula de

gauge. Guralnik-Hagen-Kibble, aunque publicado un par de meses

más tarde, ofrecía una solución más completa: obtención de masa

por parte de la partícula de gauge y demostración de cómo evitar la



paralizante influencia del teorema de Goldstone». Pero lo que una

persona puede escribir en Wikipedia, otra lo puede editar: la versión

actual es un poco más equilibrada.

Yo no tengo ninguna preferencia sobre quién debe ganar el premio

Nobel por inventar la idea del bosón de Higgs, si es que alguien lo

ha de recibir, ni me veo en condiciones de hacer una predicción. Los

premios son buenos para la ciencia, porque contribuyen a llamar la

atención sobre trabajos interesantes que de otra manera podrían

pasar desapercibidos. Pero no son lo fundamental en la ciencia: la

recompensa de contribuir a descubrir el mecanismo es mucho

mayor que cualquier premio que el comité del Nobel tenga a bien

otorgar.

La verdadera decepción es que cuesta imaginar que algún

experimentalista pueda optar al Nobel por el propio descubrimiento

del bosón. Es un mero problema de números: son demasiadas las

personas que han contribuido y contribuyen a los experimentos, de

todas las maneras imaginables, como para que se pueda elegir a

una, dos o tres como responsables. Un logro que sin duda es digno

del Nobel es la construcción del propio LHC, por lo que Lyn Evans

sería un candidato razonable. Probablemente hace ya tiempo que la

fundación del Nobel debería plantearse abandonar la tradición

según la cual las colaboraciones no pueden ganar ninguno de los

premios en ciencias. Quien consiga que ese cambio se lleve a efecto

merecería el premio Nobel de la Paz.



Capítulo 12

Más allá de este horizonte

Donde nos planteamos qué hay más allá del bosón de

Higgs: ¿mundos de fuerzas, simetrías y dimensiones

nuevas?

Desde que tenía diez años, a Vera Rubín le fascinaban las estrellas.

Su interés nunca disminuyó y, cuando llegó el momento de elegir

carrera en la universidad, lo natural era que hubiese optado por la

astronomía. Pero eran los años cuarenta, y las mujeres no eran

precisamente bienvenidas en la ciencia. En un momento dado,

habló con un empleado en la oficina de admisiones del Swarthmore

College, que le preguntó si tenía otros intereses. Confesó que le

gustaba pintar. Al hilo de lo cual, el empleado le preguntó: «¿Nunca

te has planteado una carrera en la que pintases representaciones de

los objetos astronómicos?». Rubín acabó estudiando en el Vassar

College, pero la pregunta siguió resonando en su cabeza. Tiempo

después recordaba: «Se convirtió en una frase recurrente en mi

familia. Durante muchos años, cada vez que alguien tenía algún

problema, decíamos: “¿Nunca te has planteado una carrera en la

que pintases representaciones de los objetos astronómicos?”».

Rubín perseveró y cursó estudios de posgrado en Cornell y la

Universidad de Georgetown. El camino no fue fácil. Cuando escribió

a Princeton solicitando un catálogo de los cursos de doctorado, se

negaron a enviárselo, señalando que el departamento de astronomía

no aceptaba mujeres como estudiantes de doctorado. (Esa política



no cambió hasta 1975.)

Un secreto del éxito como científico es mirar donde otros no han

mirado. A medida que fue aumentando el tamaño de los telescopios,

muchos astrónomos dirigieron su mirada hacia los centros de las

galaxias lejanas, en regiones con abundancia de estrellas y de

actividad. Rubin prefirió concentrarse en la periferia, y estudiar la

dinámica de la dispersa y fina capa de estrellas y de gas que órbita

lentamente en sus bordes. Esta técnica constituye una manera de

medir la masa total de una galaxia: cuanto más materia haya en el

interior, mayor será el campo gravitatorio que actúa sobre las

estrellas de la periferia, y más rápido tendrá que orbitar.

Rubin y su colaborador Kent Ford descubrieron algo asombroso.

Hasta entonces pensábamos que las estrellas se movían cada vez

más despacio a medida que nos alejábamos del centro de la galaxia,

igual que los planetas más lejanos en el Sistema Solar orbitan más

despacio alrededor del Sol. El campo gravitatorio es menos intenso,

por lo que también es menor la fuerza que han de resistir, lo cual

significa que la velocidad necesaria para mantenerse en órbita es

más baja. Pero Rubin y Ford observaron algo muy diferente: las

estrellas se mueven a la misma velocidad aunque estén cada vez

más alejadas de la región central de la galaxia. La consecuencia es

evidente, si bien difícil de aceptar: en una galaxia hay mucha más

materia de la que observamos, y gran parte de la misma está

distribuida lejos del centro, a diferencia de lo que sucede con las

estrellas visibles.

Lo que Rubin y Ford habían encontrado inesperadamente es un



fenómeno sorprendente que hoy en día forma parte del núcleo de la

cosmología moderna: la materia oscura.

Sin embargo, no fueron los primeros en descubrirlo. Ya en los años

treinta, el astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky había

demostrado que en el cúmulo de galaxias Coma había mucha más

materia de la que podemos observar con nuestros telescopios, y el

astrónomo holandés Jan Oort demostró que en nuestro entorno

galáctico local había más materia de la que resultaba evidente en un

primer momento. Sin embargo, durante mucho tiempo persistió la

idea de que la materia simplemente estaba «desaparecida», que se

trataba de materia ordinaria pero en una forma que no era fácil de

observar. A medida que fuimos aprendiendo más sobre las galaxias

y los cúmulos, y sobre el universo en su conjunto, fuimos capaces

de medir con precisión dos números por separado: la cantidad total

de materia en el universo y la cantidad total de «materia ordinaria»

(esta última engloba átomos, polvo, estrellas, planetas y cualquier

tipo de partícula conocida en el Modelo Estándar).

Los dos números no coinciden. La cantidad total de materia

ordinaria en el universo constituye únicamente una quinta parte de

la materia. La mayor parte es materia oscura, y esta no puede estar

formada por ninguna de las partículas del Modelo Estándar.

El bosón de Higgs es la última pieza en el rompecabezas del Modelo

Estándar, pero este no es en modo alguno el final del camino. La

materia oscura es solo uno de los indicios de que hay mucha más

física por comprender. Una perspectiva apasionante es que el bosón

de Higgs haga las veces de puente entre lo que conocemos y lo que



esperamos aprender. Al estudiar minuciosamente sus propiedades,

confiamos en arrojar algo de luz sobre los mundos oscuros que

existen más allá del nuestro.

§. Los primeros instantes del universo

Detengámonos un poco más sobre la materia oscura, pues ofrece

alguna de las evidencias más sólidas de que hay física más allá del

Modelo Estándar, y constituye un gran ejemplo de cómo el Higgs

puede servirnos para entender mejor esa nueva física. Una

característica fundamental de la materia oscura es que no puede ser

materia ordinaria (átomos y demás) en alguna forma «oscura», como

las enanas marrones, los planetas o el polvo interestelar. La razón

es que disponemos de mediciones muy buenas de la cantidad total

de materia ordinaria, a partir de los procesos que tuvieron lugar en

los primeros momentos del universo.

Para entender la materia oscura, hemos de pensar sobre cuál es su

origen.

Imagine que tiene un equipo experimental que consiste básicamente

en un superhorno: una caja cerrada herméticamente con alguna

cosa dentro y una rueda con la que puede ajustar la temperatura a

su gusto. Un horno normal podría alcanzar los 250 grados

centígrados, que en las unidades que se utilizan en física de

partículas son unos 0,04 electronvoltios. A esa temperatura, las

moléculas pueden reordenarse (se dice que se «cocinan»), pero los

átomos conservan su integridad. Una vez que alcancemos unos

pocos electronvoltios, o incluso más, los electrones se separan de



sus núcleos. Si llegamos a los millones de electronvoltios (MeV), los

propios núcleos se descomponen, y el resultado son protones y

neutrones libres.

A temperaturas elevadas también sucede otro fenómeno: las

colisiones entre partículas son tan energéticas que se pueden crear

nuevos pares partícula- antipartícula, como en un colisionador. Si

la temperatura es mayor que la masa total de una partícula más su

antipartícula, cabe esperar que estos pares se produzcan con

profusión. De manera que, a temperaturas suficientemente

elevadas, casi da lo mismo lo que sea que haya en el interior de la

caja: lo que obtenemos es un plasma caliente compuesto por todas

las partículas cuyas masas son inferiores a la temperatura en el

interior. (Recuerde que tanto la masa como la temperatura pueden

medirse en GeV.) Si la temperatura es de 500 GeV, nuestra caja

estará repleta de bosones de Higgs, quarks, leptones, bosones W y Z

y demás, zumbando de un lado a otro (por no hablar de partículas

nuevas que aún no se han descubierto aquí en la Tierra). Si

redujésemos gradualmente la temperatura en el interior de la caja,

esas nuevas partículas irían desapareciendo de manera progresiva,

cuando chocasen con sus antipartículas y se aniquilasen, y

volveríamos a tener solamente las partículas de las que hemos

partido.

El universo en sus primeros momentos se parece mucho al plasma

en el interior de nuestro horno supercaliente, con un ingrediente

adicional fundamental: el espacio se está expandiendo a un ritmo

increíble. Esta expansión del universo tiene dos consecuencias



importantes. La primera es que la temperatura disminuye, de

manera que es como si la rueda de nuestro horno empezase a una

temperatura muy elevada y enseguida se redujese. La segunda es

que la densidad de materia disminuye también rápidamente a

medida que las partículas se alejan unas de otras en el espacio en

expansión. Esta última característica establece una diferencia

crucial entre el universo primigenio y un horno. Como la densidad

disminuye, puede darse la circunstancia de que las partículas que

se han creado en el plasma originario no tengan ocasión de

aniquilarse con sus antipartículas, sencillamente porque sea

demasiado difícil que se encuentren.

En consecuencia, obtenemos una abundancia residual de las

partículas procedentes del plasma primigenio. Y, si conocemos las

masas de las partículas y las probabilidades de que interactúen,

podemos calcular con precisión cuál debería ser esta abundancia. Si

las partículas son inestables, como el bosón de Higgs, la

abundancia residual es bastante irrelevante, porque las partículas

simplemente se desintegran. Pero si son estables siguen ahí. Es fácil

imaginar que una partícula estable remanente del universo

primigenio constituya la materia oscura actual.

En el Modelo Estándar, podemos jugar a este juego con los núcleos

atómicos. Una diferencia fundamental es que empezamos teniendo

más materia que antimateria, por lo que no toda la materia puede

desaparecer por aniquilación. Comencemos a una temperatura

suficientemente elevada, de aproximadamente 1 GeV, por ejemplo.

El plasma consistirá en protones, neutrones, electrones, fotones y



neutrinos (todas las partículas más pesadas se habrán

desintegrado). La temperatura es suficiente para que los protones y

neutrones calientes no puedan formar núcleos sin que estos se

descompongan de inmediato. Pero, a medida que el universo se

expande y se enfría, los núcleos se empiezan a formar pocos

segundos después del big bang. Apenas un par de minutos más

tarde, la densidad es tan baja que los núcleos dejan de chocar entre

sí y esas reacciones se detienen. El resultado es una determinada

combinación de protones y elementos ligeros: deuterio (hidrógeno

pesado, un protón y un neutrón), helio y litio. Este proceso se

conoce como «nucleosíntesis primordial».

Para poder calcular con precisión la abundancia relativa de esos

elementos nos basta con conocer un parámetro de entrada: la

abundancia inicial de protones y neutrones. Podríamos entonces

comparar las abundancias primigenias de los elementos con las que

observamos en el universo real. La solución encaja perfectamente,

pero solo para una determinada densidad de protones y neutrones.

Este feliz resultado es tranquilizador, ya que indica que nuestras

ideas sobre los primeros instantes del universo van por buen

camino. Puesto que los protones y los neutrones constituyen la

práctica totalidad de la masa de la materia ordinaria, sabemos

perfectamente cuánta materia ordinaria hay en el universo, con

independencia de la forma que tome actualmente. Y no es ni

remotamente suficiente como para dar cuenta de toda la materia

existente.



§. WIMP

Una estrategia prometedora para la materia oscura consiste en

jugar al mismo juego que con la nucleosíntesis, pero partiendo de

una temperatura inicial mucho más elevada y añadiendo una nueva

partícula a la mezcla, una partícula que será la materia oscura.

Sabemos que la materia oscura es oscura, por lo que esa nueva

partícula debe ser eléctricamente neutra. (Las partículas cargadas

son precisamente aquellas que interactúan con el

electromagnetismo, y por tanto tienden a emitir luz.) Y sabemos que

aún persiste, por lo que debe ser estable, o al menos debe tener una

vida media mayor que la edad del universo. Conocemos incluso un

detalle más: la materia oscura no interactúa con mucha intensidad

consigo misma. Si lo hiciese, se acumularía en el centro de las

galaxias, en lugar de formar esos halos hinchados que parecen

mostrar los datos. Por lo tanto, la materia oscura tampoco es

sensible a la fuerza nuclear fuerte. De las fuerzas de la naturaleza

que conocemos, la materia oscura siente sin duda la influencia de la

gravedad, y puede que también la de la fuerza nuclear débil.

Imaginemos una nueva partícula de un cierto tipo: una WIMP

(Weakly Interacting Massive Particle: Partícula con Masa de

Interacción Débil). (Los cosmólogos son muy ocurrentes a la hora de

inventarse nombres.) Por «de interacción débil» no entendemos

únicamente que «no interactúe mucho», sino que es sensible a las

interacciones de la física de partículas. Para simplificar,

supongamos que la WIMP tiene una masa compatible con otras

partículas que intervienen en las interacciones débiles, como los



bosones W y Z o el de Higgs. Alrededor de 100 GeV, pongamos, o al

menos entre 10 y 1.000 GeV. Para cálculos de alta precisión, serían

relevantes además otros detalles de la partícula, pero para nuestros

cálculos aproximados nos basta con conocer estas propiedades

básicas.

A continuación, comparamos la abundancia prevista de una WIMP

como esa con la abundancia real de materia oscura. Lo que nos

encontramos — asombrosamente— es que encajan a la perfección.

Hay cierto margen de maniobra, relacionado con la posible

existencia de otras partículas y con cuál es exactamente el proceso

por el que se aniquilan las WIMP, pero el hecho de que cuadren con

tanta aproximación es llamativo. La abundancia residual de las

partículas estables con interacciones de una intensidad similar a la

de la fuerza débil es por lo general la adecuada para dar cuenta de

la materia oscura, sin necesidad de retorcer demasiado los números

para que encajen.

Esta interesante coincidencia es lo que se conoce como «el milagro

WIMP» y ha provocado que muchos físicos alberguen la esperanza

de que el secreto de la materia oscura se encuentre en nuevas

partículas con masas e interacciones similares a los bosones W, Z y

Higgs. Desde luego, todas esas partículas se desintegran

rápidamente, por lo que debe haber un buen motivo por el que la

WIMP sea estable, pero eso no es difícil de inventar. Existen muchas

otras teorías plausibles de la materia oscura —incluida una

partícula llamada «axión», inventada por Steven Weinberg y Frank

Wilczek, que es como un pariente muy lejano del Higgs— pero los



modelos con WIMP son con diferencia los más populares.

La posibilidad de que la materia oscura sea una WIMP abre varias

puertas experimentales excitantes, precisamente porque el Higgs

interactuaría con ella. De hecho, en muchos (probablemente en la

mayoría, aunque es difícil llevar la cuenta) de los modelos de la

materia oscura basados en WIMP, el acoplamiento más intenso

entre esta y la materia ordinaria se produciría mediante el

intercambio de un bosón de Higgs. El Higgs podría ser el eslabón

que une nuestro mundo con la mayor parte de la materia del

universo.

§. El portal de Higgs

Esta característica —la interacción a través del intercambio de

bosones de Higgs — es algo que tienen en común muchas de las

teorías que van más allá del Modelo Estándar. Hay un montón de

partículas nuevas en lo que se conoce como «el sector oculto», y no

interactúan demasiado con las partículas que hemos estudiado. El

Higgs es algo más sociable que los fermiones y bosones de gauge

conocidos, lo que significa que es más probable que interactúe con

las nuevas partículas. Es en este sentido en el que el

descubrimiento del Higgs constituye al mismo tiempo la

culminación de un grandioso proyecto —la construcción del Modelo

Estándar— y el pistoletazo de salida para el siguiente: la búsqueda

de mundos ocultos más allá de dicho modelo. Wilczek y su

colaborador Brian Patt se refieren a esta posibilidad como «el portal

de Higgs» entre el Modelo Estándar y los sectores ocultos de la



materia.

Al hablar de la detección del Higgs en el capítulo 9, he llamado la

atención sobre su desintegración en dos fotones, mediada por un

ciclo de partículas virtuales. La proporción con la que ese proceso

tiene lugar en la práctica depende de todas las partículas distintas

que podrían aparecer en dicho ciclo (esto es, partículas que se

acoplan tanto con el Higgs como con los fotones). Dentro del propio

Modelo Estándar, dicha proporción queda completamente fijada una

vez que se conoce la masa del Higgs. Por lo tanto, si midiésemos

esta desintegración con precisión y observásemos que se produce

más rápido de lo

que esperamos, eso constituiría una importante evidencia de la

existencia de nuevas partículas, aunque no las pudiésemos ver

directamente. Los datos del LHC de 2011 y principios de 2012

parecían indicar que se producían más fotones de los que predice el

Modelo Estándar, aunque la diferencia no era muy significativa. Sin

duda, esto será algo que estudiaremos en los próximos años, a

medida que dispongamos de más datos.

En un escenario de WIMP, la materia oscura está por todas partes,

incluso allá donde se encuentre en este mismo momento. En

nuestro entorno local, esperamos que haya aproximadamente una

partícula de materia oscura por cada taza de espacio. Pero las

partículas se mueven a bastante velocidad, normalmente del orden

de cientos de kilómetros por segundo. En consecuencia, miles de

millones de WIMP atraviesan nuestro cuerpo cada segundo. Como

interactúan muy débilmente, apenas lo notamos, pues la mayoría de



las WIMP nos atraviesan literalmente sin siquiera interaccionar.

Pero, aunque son pequeñas, las interacciones no son

completamente nulas. Mediante el intercambio de un bosón de

Higgs, una WIMP puede chocar con uno de los quarks que

contienen los protones y los neutrones de su cuerpo. Los físicos

Katherine Freese y Christopher Savage han calculado que, en

modelos razonables, cabría esperar que, en un año, diez partículas

de materia oscura interactúen con los átomos de un cuerpo

humano. Los efectos de cada interacción individual son

prácticamente insignificantes, así que no se preocupe por el riesgo

de que la materia oscura sea la causante de su dolor de barriga.

No obstante, podemos utilizar este tipo de interacción para buscar

materia oscura. Como en el LHC, una tarea fundamental es

discernir la señal del ruido de fondo. La materia oscura no es la

única cosa que puede chocar con un núcleo: la radiactividad y los

rayos cósmicos lo hacen continuamente. Por ese motivo, los físicos

tienen que descender bajo tierra, a pozos mineros e instalaciones

especiales, donde estén lo más protegidos posible de ese molesto

ruido de fondo. Allí construyen detectores que esperan

pacientemente a detectar la débil señal que se producirá cuando

una partícula de materia oscura pase por allí y perturbe un núcleo.

Hay dos tipos de detectores populares: los criogénicos, en los que el

detector registra el calor generado cuando la partícula de materia

oscura colisiona con un núcleo en el interior de un cristal a baja

temperatura, y los de gas noble en estado líquido, en los que el

detector mide la luz producida por centelleo cuando una partícula



de materia oscura interactúa con xenón o argón líquidos.

Diagrama de Feynman que representa la dispersión de una partícula

de materia oscura por un quark mediante el intercambio de un bosón

de Higgs.

La estrategia de meterse bajo tierra a gran profundidad para buscar

interacciones con las partículas de materia oscura que nos rodean

se conoce como «detección directa», y es una de las prioridades de la

investigación puntera. Varios experimentos han permitido ir

descartando algunos de los modelos posibles. Conocer la masa del

bosón de Higgs nos permitirá relacionar las predicciones teóricas de

las propiedades de la WIMP con las posibles trazas que esos

experimentos podrían observar. Con la sensibilidad de esos

aparatos, que ya es impresionante a día de hoy y no deja de

mejorar, nadie debería sorprenderse si detectamos la materia oscura

definitivamente a lo largo de los próximos cinco años. Aunque

tampoco deberíamos sorprendernos si no es así. La naturaleza

siempre nos reserva sorpresas.



Por supuesto, si hay una técnica llamada «detección directa»,

también existe otra denominada «detección indirecta». La idea en

este caso es esperar a que las WIMP en nuestra galaxia o en otras

choquen entre sí y se aniquilen. Entre las partículas que se

produzcan en esa interacción habrá rayos gamma (fotones de alta

energía), que se pueden buscar desde los observatorios situados en

satélites. Actualmente, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma

Fermi de la NASA está rastreando el firmamento en busca de rayos

gamma para crear una base de datos de fenómenos de alta energía.

Una vez más, el problema de distinguir entre la señal y el ruido es

importante. Los astrónomos se están esforzando por entender cuál

debería ser el rastro de rayos gamma producido por la aniquilación

de materia oscura, con la esperanza de poder así distinguirlo de los

muchos procesos astrofísicos convencionales que producen

radiación de este tipo. También es posible que, al aniquilarse, la

materia oscura produzca un bosón de Higgs (en lugar de otras

partículas a través del propio bosón de Higgs), un escenario que,

como es natural, ha recibido el nombre de «Higgs en el espacio».

Por último, podemos imaginar la posibilidad de producir materia

oscura aquí en casa, en el LHC. Si el Higgs se acopla con la materia

oscura, y esta no es muy pesada, una de las maneras en que el

Higgs se puede desintegrar es directamente en WIMP.

Evidentemente, no podemos detectar estas partículas, porque

interactúan muy débilmente, de manera que todas las que se

produzcan se escaparán del detector, igual que los neutrinos. Pero

sí podemos sumar el número total de desintegraciones de Higgs



observadas y compararlo con el número esperado. Si obtenemos

menos de lo que esperábamos, eso podría significar que algunas de

las veces el Higgs se desintegra en partículas invisibles. Por

supuesto, tardaremos un tiempo en determinar qué partículas son

esas.

§. Un universo no natural

La materia oscura es una evidencia sólida de que necesitamos

nueva física que trascienda el Modelo Estándar. Existe un evidente

desacuerdo entre teoría y experimento, algo a lo que los físicos están

acostumbrados. También hay otro tipo de evidencias de que hace

falta física nueva: el ajuste fino dentro del propio Modelo Estándar.

Para especificar una teoría como el Modelo Estándar, hay que dar

una lista de los campos que intervienen en ella (quarks, leptones,

bosones de gauge, Higgs), pero también los valores de los distintos

números que sirven como parámetros de la teoría. La intensidad de

la interacción electromagnética, por ejemplo, viene determinada por

un número denominado «constante de estructura fina», una

magnitud famosa en la física y cuyo valor numérico es

aproximadamente 1/137. A principios del siglo XX, algunos físicos

intentaron encontrar ingeniosas fórmulas numerológicas para

explicar el valor de dicha constante. Hoy en día asumimos

simplemente que forma parte de los datos de entrada del Modelo

Estándar, aunque aún nos cabe la esperanza de que una teoría más

unificada de las interacciones fundamentales nos permitiría

calcularla a partir de los postulados básicos.



Aunque todos estos números son cantidades que debemos salir a

medir, los físicos siguen creyendo que existen ciertos valores

«naturales» que pueden tomar. El motivo es que, como consecuencia

de la teoría cuántica de campos, los números que medimos

representan complicadas combinaciones de muchos procesos

diferentes. Básicamente, tenemos que sumar todas las diferentes

contribuciones de los diversos tipos de partículas virtuales para

obtener el resultado final. Cuando medimos la carga del electrón al

hacer que un fotón colisione con él, no interviene solo el electrón:

ese electrón es una vibración de un campo, que está rodeado por las

fluctuaciones cuánticas de otros campos de todo tipo, todo lo cual

se suma para darnos lo que percibimos como el «electrón físico».

Cada configuración de partículas virtuales contribuye al resultado

final en una determinada proporción, que a veces puede ser muy

grande.

Sería muy sorprendente, por lo tanto, que el valor observado de

alguna magnitud fuese mucho menor que el de las contribuciones

individuales que han dado lugar al mismo. Eso significaría que

grandes contribuciones de signo positivo se han sumado a otras

igualmente grandes de signo negativo para dar un resultado final

minúsculo. Lo cual sin duda es posible, pero no es lo que

esperaríamos. Si, al medir un parámetro, obtenemos un valor

mucho menor del que esperábamos, diremos que hay un problema

de ajuste fino, y que la teoría es «no natural». Desde luego, en última

instancia, es la naturaleza la que decide lo que es natural, no

nosotros. Pero si la teoría parece no natural, es señal de que



podríamos necesitar una teoría mejor.

La mayoría de los parámetros del Modelo Estándar son bastante

naturales. Con dos excepciones flagrantes: el valor del campo de

Higgs en el espacio vacío y la densidad de energía del espacio vacío,

también conocida como «energía del vacío». Ambos son mucho

menores de lo que cabría suponer. Fíjese en que ambos están

relacionados con las propiedades del espacio vacío. Lo cual es un

hecho interesante, pero del que nadie ha sabido hasta el momento

sacar provecho para resolver los problemas.

Ambos problemas son muy parecidos. Tanto para el valor del campo

de Higgs como para la energía del vacío, podemos empezar

especificando el valor que queramos, sobre el cual calcularemos las

contribuciones adicionales debidas a los efectos de las partículas

virtuales. En ambos casos, lo que sucede es que el resultado es cada

vez mayor. Un cálculo aproximado nos dice que el valor del campo

de Higgs debería ser de alrededor de 1016 —diez mil billones—

veces mayor de lo que es en realidad. Siendo sinceros, no podemos

ser demasiado precisos sobre cuál «debería» ser su valor, porque no

disponemos de una teoría unificada de todas las interacciones.

Nuestra estimación proviene del hecho de que las partículas

virtuales tienden a hacer que aumente el valor del campo de Higgs,

y existe un límite superior que no parece razonable suponer que

puede superar, llamado «escala de Planck». Es la energía, unos 1018

GeV, a la cual la gravedad cuántica se vuelve relevante y el propio

espacio-tiempo deja de tener ningún sentido definido.

Esta gigantesca diferencia entre el valor esperado y el valor



observado del campo de Higgs en el vacío es lo que se conoce como

un «problema de jerarquía». La diferencia entre la escala de energías

que caracteriza las interacciones débiles (el valor del campo de

Higgs, 246 GeV) y la que caracteriza la gravedad (la escala de

Planck, 1018 GeV) es enorme. Esa es la jerarquía a la que nos

referimos. Esto por sí solo ya sería bastante raro, pero recordemos

que los efectos mecanocuánticos de las partículas virtuales tratan

de hacer que la escala débil aumente hasta llegar a la escala de

Planck. ¿Por qué son tan diferentes?

§. La energía del vacío

Por si no tuviésemos suficiente con el problema de jerarquía, el que

existe con la energía del vacío es mucho peor. En 1998, los

astrónomos que estudiaban las velocidades de las galaxias lejanas

realizaron un asombroso descubrimiento: el universo no solo se

expande, sino que lo hace cada vez más rápido. Las galaxias no solo

se alejan de nosotros, sino que lo hacen cada vez a mayor velocidad.

Existen varias explicaciones posibles para este fenómeno, pero hay

una sencilla que encaja perfectamente con los datos que tenemos en

la actualidad: la energía del vacío, que Einstein introdujo en 1917

como la «constante cosmológica».

La idea de la energía del vacío es que existe una constante de la

naturaleza que nos dice cuánta energía contiene un volumen fijo de

espacio completamente vacío. Si el valor no es cero —y no hay razón

para que lo sea— esa energía hace que el universo se separe, lo que

provoca la aceleración cósmica. El descubrimiento de que esto



estaba sucediendo resultó en que el premio Nobel de 2011 recayese

en Saúl Perlmutter, Adam Riess y Brian Schmidt.

Brian y yo fuimos compañeros de despacho en el doctorado. En mi

libro anterior, From Eternity to Here, relaté la historia de una

apuesta que él y yo hicimos en aquella época dorada: él decía que

tardaríamos al menos veinte años en saber cuál era la densidad

total de materia en el universo, mientras que yo afirmaba que la

conoceríamos antes. En parte gracias a su propio trabajo, ahora

estamos convencidos de que conocemos la densidad del universo, y

conseguí que pagase su deuda —una pequeña botella de oporto

añejo— en una emocionante ceremonia en la azotea de la Quincy

House en Harvard en 2005. Con posterioridad, Brian, que es un

astrónomo de renombre mundial pero un pronosticador

indefectiblemente pesimista, apostó a que no conseguiríamos

encontrar el bosón de Higgs en el LHC. Recientemente reconoció su

derrota también en esta apuesta. Como ahora somos mayores, lo

que estaba en juego asimismo ha aumentado de manera

proporcional: el precio que Brian tendrá que pagar por su derrota es

que, con los puntos que ha acumulado por viajar tanto en avión,

nos comprará un billete para que mi mujer, Jennifer, y yo vayamos

a visitarlo a Australia. Por lo menos, Brian está bien acompañado:

Stephen Hawking apostó 100 dólares con Gordon Kane a que no

encontraríamos el Higgs, y también ha accedido a pagarlos.

Para explicar las observaciones de los astrónomos no necesitamos

que la energía del vacío sea muy elevada: basta con una

diezmilésima de electronvoltio por centímetro cúbico. Como con el



valor del campo de Higgs, podemos hacer una estimación rápida de

cuál debería ser la magnitud de la energía del vacío. El resultado es

de unos 10116 electronvoltios por centímetro cúbico. Lo cual es

mayor que el valor observado en un factor de 10120, un número tan

enorme que ni siquiera hemos intentado inventar una palabra para

él. El problema de jerarquía es grave, pero el de la energía del vacío

es numéricamente mucho peor.

Entender la energía del vacío es uno de los principales problemas

por resolver de la física contemporánea. Una de las muchas

contribuciones que hacen que el valor estimado sea tan alto es que

el campo de Higgs, con su valor no nulo en el espacio vacío, debería

transportar una gran cantidad de energía (positiva o negativa). Esta

fue una de las razones por las que Phil Anderson tenía sus dudas

sobre lo que ahora llamamos mecanismo de Higgs: la elevada

densidad de energía de un campo en el espacio vacío parece

incompatible con la densidad de energía relativamente baja que el

espacio vacío posee en la práctica. Hoy en día no pensamos que esto

sea suficiente para descartar el mecanismo de Higgs, simplemente

porque hay muchas otras contribuciones a la energía del vacío que

son incluso mayores, por lo que el problema es mucho más

profundo que la contribución del Higgs.

También es posible que la energía del vacío sea exactamente cero, y

que el universo se esté separando debido a una forma de energía

que decae lentamente, en lugar de ser estrictamente constante. Esta

idea es la que se conoce como «energía oscura» y los astrónomos

están haciendo todo lo posible por comprobar si existe o no. El



modelo más popular de la energía oscura contempla un nuevo tipo

de campo escalar, como el de Higgs, pero con una masa

extraordinariamente más pequeña. La energía de ese campo

tendería gradualmente a cero, a lo largo de miles de millones de

años. Entretanto, su energía se comportaría como energía oscura

(con una distribución continua en el espacio, y una lenta variación

en el tiempo).

El bosón de Higgs que hemos detectado en el LHC no está

directamente relacionado con la energía oscura de ninguna manera,

pero sí existe una conexión indirecta. Si supiésemos más sobre él,

podríamos entender mejor por qué la energía del vacío es tan

pequeña, o saber si la energía oscura podría tener un componente

que variase lentamente en el tiempo. Es una posibilidad remota,

pero ante un problema tan enconado como este debemos

plantearnos seriamente cualquier posibilidad, por improbable que

sea.

§. Supersimetría

Una importante lección que podemos extraer del éxito de la teoría

electrodébil es que la simetría es nuestra amiga. Los físicos están

fascinados con la idea de encontrar tantas simetrías como sea

posible. Puede que el proyecto más ambicioso en este sentido sea

uno de nombre muy apropiado, aunque poco original:

supersimetría.

Todas las simetrías básicas de las fuerzas del Modelo Estándar

establecen relaciones entre partículas muy parecidas entre sí. La



simetría de las interacciones fuertes relaciona los quarks de

distintos colores, mientras que la de las interacciones débiles hace

lo propio con los quarks up y los down, los electrones y los

neutrinos electrónicos y el resto de las parejas de fermiones. La

supersimetría, en cambio, es más ambiciosa, y lo que pretende es

establecer relaciones entre los fermiones y los bosones. Si una

simetría entre electrones y neutrinos electrónicos es como comparar

manzanas y peras, tratar de conectar fermiones con bosones es

como comparar plátanos y orangutanes.

A primera vista, la idea no parece muy prometedora. Decir que

existe una simetría es afirmar que cierta distinción no es relevante:

etiquetamos a los quarks como «rojos», «verdes» y «azules», pero no

importa qué color es cada cual. Los electrones y los neutrinos

electrónicos son ciertamente diferentes, pero eso se debe a que el

campo de Higgs, oculto en el espacio vacío, rompe la simetría de la

interacción débil. Si el Higgs no existiese (las partes levógiras de), el

electrón y el neutrino electrónico serían de hecho indistinguibles.

Si nos fijamos en los fermiones y los bosones del Modelo Estándar,

parece que no existe ninguna relación entre ellos. Sus masas son

distintas, sus cargas también, así como la manera en que algunas

partículas son sensibles a las interacciones débiles y fuertes y otras

no. Incluso el número total de partículas es completamente

diferente. No hay ahí ninguna simetría oculta evidente.

Pero los físicos suelen ser perseverantes, y acabaron dando con la

idea según la cual todas las partículas del Modelo Estándar tienen

unos nuevos «supercompañeros», con los cuales se relacionan a



través de la supersimetría. Se espera que todos estos

supercompañeros sean muy pesados, por lo que aún no hemos

detectado ninguno. Para celebrar esta ingeniosa idea, los físicos

inventaron una nomenclatura resultona: si tenemos un fermión, le

añadimos una «s-» al principio de su nombre para obtener el de su

supercompañero bosón; si es un bosón, añadimos «-no» al final del

nombre para crear el de su supercompañero fermión.

Por tanto, en supersimetría, tenemos un nuevo conjunto de bosones

denominados «selectrones», «squarks», etcétera, así como un nuevo

conjunto de fermiones llamados «fotoninos», «gluinos» e «higgsinos».

(Como le gusta decir a Dave Barry, juro que no me lo estoy

inventando.) Los supercompañeros poseen las mismas

características generales que las partículas originales, salvo por el

hecho de que su masa es mucho mayor y de que ha habido un

intercambio entre bosones y fermiones. Así, un «stop» es el

compañero bosónico de un quark top, sensible tanto a las

interacciones fuertes como a las débiles y con carga +2/3.

Curiosamente, en determinados modelos concretos de

supersimetría, el stop suele ser el más ligero de los

supercompañeros bosónicos, a pesar de que el top es el fermión más

pesado. Los supercompañeros fermiónicos suelen combinarse entre

sí, de manera que los compañeros de los bosones W y de los

bosones de Higgs con carga se combinan para producir «charginos»,

mientras que los compañeros del Z, del fotón y de los bosones de

Higgs neutros se mezclan para dar lugar a los «neutralinos».

A día de hoy, la supersimetría es una idea totalmente especulativa.



Posee propiedades muy interesantes, pero no tenemos ninguna

evidencia a su favor. A pesar de lo cual, sus propiedades son lo

suficientemente interesantes como para que se haya convertido en

la posibilidad más popular entre los físicos para la física que

existiría más allá del Modelo Estándar. Por desgracia, aunque la

idea fundamental es muy sencilla y elegante, es evidente que en el

mundo real la supersimetría debe estar rota, pues si no las

partículas y sus supercompañeros tendrían masas iguales. Una vez

que se rompe la supersimetría, pasa de ser sencilla y elegante a

convertirse en un auténtico caos.

Existe algo llamado «Modelo Estándar Mínimo Supersimétrico»

(MSSM, Minimal Supersymmetric Standard Model), que es

probablemente la manera menos complicada de incorporar la

supersimetría al mundo real: tiene 120 parámetros que se deben

especificar a mano. Lo cual significa que tenemos una gran libertad

a la hora de construir modelos supersimétricos concretos. A

menudo, para que las cosas sean manejables, los físicos asignan un

valor nulo a muchos de los parámetros, o al menos les dan el mismo

valor. En la práctica, tal grado de libertad implica que es muy difícil

hacer afirmaciones precisas sobre lo que la simetría predice. Para

cualquier conjunto dado de restricciones experimentales,

normalmente podemos encontrar un conjunto de valores de los

parámetros que aún no se haya descartado.

Aparte de la búsqueda del Higgs, la tarea de encontrar la

supersimetría es probablemente la más prioritaria del LHC. Habida

cuenta de lo farragosa que es la teoría, incluso si la descubriésemos



nos costaría un gran esfuerzo determinar que lo que hemos hallado

es de hecho supersimetría. Curiosamente, una de las implicaciones

de la supersimetría es que no basta con un solo bosón de Higgs.

Recuerde que en el capítulo 11 hemos visto que el campo de Higgs

del Modelo Estándar surge a partir de cuatro campos escalares con

la misma masa, y que tras la ruptura de simetría tres de esos

campos son engullidos por los bosones W y Z, lo que hace que solo

podamos detectar el Higgs. Sin embargo, en las versiones

supersimétricas del Modelo Estándar, resulta que, por razones

técnicas, necesitamos doblar el número de campos escalares de

partida, pasando de cuatro a ocho. (Sin incluir los supercompañeros

fermiónicos, los higgsinos; hablamos únicamente de los campos

bosónicos.) Uno de esos grupos de cuatro les proporciona su masa a

los quarks de tipo up, mientras que el otro hace lo propio con los

quarks de tipo down. Seguimos teniendo solo tres bosones W y Z.

Cuando el Higgs adquiere un valor distinto de cero y rompe la

simetría electrodébil, tres de los campos escalares son engullidos, lo

cual nos deja con cinco bosones de Higgs distintos campando a sus

anchas. Así es: como consecuencia directa de la supersimetría,

tenemos cinco bosones de Higgs en lugar de uno solo, que es lo

habitual. Uno tendrá carga eléctrica positiva, otro será negativo y

los otros tres serán neutros.



Las partículas del Modelo Estándar (parte inferior) y sus

supercompañeros (parte superior). Tres copias de cada quark y

squark, y ocho copias de los gluones y los gluinos, representan

distintos colores. En el Modelo Estándar supersimétrico hay cinco

bosones de Higgs, en lugar de uno solo. Los supercompañeros de los

bosones W y de los bosones de Higgs con carga se combinan entre sí

para producir los charginos, mientras que los supercompañeros del Z,

el fotón y los bosones de Higgs neutros hacen lo propio para dar lugar

a los neutralinos.

Evidentemente, los experimentalistas estarían encantados de tener

cinco bosones de Higgs. Este es uno de los motivos por los que los

físicos del LHC fueron tan prudentes a la hora de anunciar que

habían encontrado una nueva partícula a 125 GeV: podía ser «un»

bosón de Higgs sin ser necesariamente «el» bosón de Higgs. Cuando

la gente trata de construir modelos supersimétricos, es fácil hacer



que uno de los Higgs sea más ligero que todos los demás, y quizá

sea ese el que hemos descubierto. Sin embargo, también es habitual

que el Higgs más ligero sea bastante ligero (normalmente 115 GeV o

menos). Es posible llevarlo hasta los 125 GeV, pero para ello hay

que hacer unas cuantas contorsiones poco naturales. Necesitamos

urgentemente más datos, tanto para saber con más seguridad qué

partícula es la que se ha descubierto como para seguir buscando

otras partículas.

A los físicos les alegra tener más partículas que buscar, pero en

realidad eso no constituye una ventaja de la supersimetría como

teoría. He aquí una ventaja más tangible: ayuda a resolver el

problema de jerarquía.

El problema de jerarquía surge porque esperamos que los efectos de

las partículas virtuales hagan que el valor del campo de Higgs

aumente hasta llegar a la escala de Planck. Sin embargo, al

examinar la situación con más detalle, vemos que los bosones

virtuales tienden a tirar del valor del campo de Higgs en un sentido,

mientras que los fermiones virtuales lo hacen en el sentido

contrario. En general, no hay razón para esperar que estos efectos

se cancelen entre sí. Normalmente, al tomar la diferencia entre dos

números grandes y aleatorios, el resultado es un tercer número

grande (positivo o negativo), no uno pequeño. Pero con la

supersimetría todo cambia. Ahora hay campos fermiónicos y

bosónicos que se compensan exactamente, y los efectos de

fluctuaciones virtuales pueden cancelarse por completo, dejando

intacta la jerarquía. Este es uno de los principales motivos por los



que los físicos se toman en serio la supersimetría.

Otro de los motivos procede de la idea de la WIMP de materia

oscura. En los modelos supersimétricos viables, el supercompañero

más ligero es una partícula completamente estable con una masa y

una intensidad de interacción próximas a la escala débil. Si esa

partícula no posee carga eléctrica —es decir, si es un neutralino—

constituye un perfecto candidato para la materia oscura. Se ha

invertido una buena cantidad de esfuerzo teórico en calcular la

abundancia residual de los neutralinos en los distintos modelos

supersimétricos. Precisamente porque hay tantas partículas e

interacciones nuevas, es posible un amplio rango de abundancias,

pero no es difícil obtener la densidad correcta de materia oscura. Si

los supercompañeros existen a las energías a las que el LHC tiene o

tendrá acceso, cabe la posibilidad de que logremos una espectacular

síntesis de la física de partículas y la cosmología. Es bueno

marcarse objetivos elevados.

§. Cuerdas y dimensiones adicionales

La teoría de cuerdas es una de las ideas más sencillas de la historia.

Imagine simplemente que los componentes elementales de la

naturaleza, en lugar de ser partículas puntuales, son pequeñas

cuerdas vibrantes. El origen del concepto puede remontarse a varios

artículos escritos en 1968 y 1969 por Yoichiro Nambu, Holger

Nielsen y Leonard Susskind, que sugirieron cada uno por su cuenta

que ciertas relaciones matemáticas en la dispersión de partículas

podrían explicarse simplemente si se sustituyesen las partículas por



cuerdas. Siempre que los lazos o segmentos de cuerda sean

suficientemente pequeños, nosotros los veremos como partículas.

No hemos de preguntar: «¿De qué están compuestas las cuerdas?»,

como tampoco hemos tenido nunca la tentación de preguntar: «¿De

qué está compuesto un electrón?». La materia que forma las cuerdas

es la sustancia fundamental de la que están hechas todas las otras

cosas.

Las primeras teorías de cuerdas describían únicamente bosones, y

adolecían de un defecto en apariencia fatal: el espacio vacío era

inestable y rápidamente se disolvería en una nube de energía. Para

solucionarlo, los pioneros de la teoría de cuerdas Pierre Ramond,

André Neveu y John Schwarz demostraron cómo incorporar los

fermiones a la teoría. Y, al hacerlo, acabaron inventando uno de los

primeros ejemplos de supersimetría. Así fue como nació la «teoría de

supercuerdas». Para que quede claro: parece que los modelos viables

de la teoría de cuerdas han de ser necesariamente supersimétricos,

pero existen modelos supersimétricos que no guardan relación

alguna con la teoría de cuerdas. Si encontrásemos partículas

supersimétricas en el LHC, eso haría que aumentase la probabilidad

de que la teoría de cuerdas no fuese desencaminada, pero no

constituiría una evidencia directa de la existencia de las cuerdas.

Las supercuerdas resolvían el problema de estabilidad de los

primeros modelos de cuerdas, pero tenían una característica

frustrante: una partícula sin masa que se acoplaba con la energía

de todas las cosas. Resultaba molesto porque el objetivo original de

la teoría de cuerdas era explicar la fuerza nuclear fuerte, y en las



interacciones nucleares no existía ninguna partícula como esa.

Entonces, en 1974, Joél Scherk y Schwarz señalaron que existe una

famosa partícula sin masa que se acopla con la energía de todas las

cosas: el gravitón. En lugar de ser una teoría de las interacciones

fuertes, sugirieron que quizá la teoría de cuerdas era una teoría de

la gravedad cuántica, así como de todas las demás fuerzas

conocidas: una teoría del todo.

En un principio, esta idea provocó más de una mirada de

perplejidad, pues a los físicos de partículas de los años setenta la

gravedad no les interesaba demasiado. Sin embargo, ya en 1984

estaba claro que el Modelo Estándar ofrecía una buena explicación

de la física de partículas, y los teóricos andaban a la busca de

nuevos retos. En ese año, Michael Green y Schwarz demostraron

que la teoría de supercuerdas era capaz de evitar un problema de

consistencia matemática que, en opinión de muchos, haría que la

teoría no fuese viable. Igual que la popularidad de la teoría

electrodébil aumentó rápidamente una vez que „t Hooft demostró

que es renormalizable, el tren de la teoría de cuerdas dio un buen

acelerón tras el artículo de Green y Schwarz, y desde entonces ha

sido una parte importante de la teoría de partículas.

La teoría de cuerdas necesita resolver otro problema: la

dimensionalidad del espacio-tiempo. La teoría cuántica de campos

es más flexible que la teoría de cuerdas, y existen teorías de campos

razonables para todo tipo de espacio- tiempos. Pero la teoría de

supercuerdas es más restrictiva: las primeras investigaciones

comprobaron que la teoría de forma natural quiere vivir en un



espacio-tiempo con exactamente diez dimensiones. De ellas, nueve

serían espaciales y una temporal, lo que contrasta con las

habituales tres dimensiones espaciales y una temporal. Llegados a

este punto, sería comprensible que los pusilánimes prefiriesen pasar

a otras ideas.

Pero los teóricos de cuerdas estaban encantados con la posibilidad

de incorporar la gravedad al resto de las fuerzas conocidas, y

siguieron adelante. Tomaron prestada una antigua idea que Theodor

Kaluza y Oskar Klein ya habían estudiado en los años veinte: la

posibilidad de que algunas dimensiones del espacio estén ocultas y

enrolladas en una bola diminuta, demasiado pequeña como para

que la podamos observar, o siquiera analizar, en los detectores de

partículas de alta energía. Un cilindro, como una pajita o una

manguera, tiene dos dimensiones —arriba y abajo

longitudinalmente y alrededor del círculo—, pero si lo vemos desde

lejos nos parecerá que es una línea unidimensional. Desde este

punto de vista, un cilindro lejano es una línea con un minúsculo

círculo compacto en cada uno de sus puntos. Recuerde que las

longitudes de onda cortas se corresponden con energías altas. Si un

espacio compacto es suficientemente pequeño, solo las partículas

con energías extremadamente elevadas se darán cuenta de que está

ahí.

Esta idea de la «compactación» de las dimensiones adicionales se

convirtió en un elemento importante de los intentos de conectar la

teoría de cuerdas con fenómenos observables. A un nivel

fundamental, la libertad para crear distintas versiones de la teoría



de cuerdas es muy limitada: trabajos realizados en los años ochenta

demostraron que en realidad solo hay cinco teorías de cuerdas. Pero

cada una incorpora un espacio-tiempo de diez dimensiones, y si se

quiere ocultar seis de ellas resulta que existen muchas maneras

diferentes de llevar a cabo la compactación. Aunque serían

necesarias energías muy altas (presumiblemente del orden de la

energía de Planck propia de la gravedad cuántica, 1018 Gev) para

estudiar directamente una variedad compacta, las características de

la compactación afectan directamente a la física que se observa a

bajas energías. Por «características de la compactación» nos

referimos a su volumen, su forma y su topología; compactar sobre

un toro (la superficie de una rosquilla) será muy diferente a hacerlo

sobre una esfera (la superficie de una bola).

Tres modelos distintos de compactación. Lo que para un observador

macroscópico parece un punto, tras una inspección más detallada se

revela como un espacio de varias dimensiones. De izquierda a

derecha: un toro (la superficie de una rosquilla), una esfera (la

superficie de una bola) y el espacio curvo que se extiende entre dos

branas. Las compactaciones realistas implican un mayor número de

dimensiones, algo difícil de ilustrar.



Y por «la física que se observa a bajas energías» entendemos qué tipo

de fermiones hay, qué fuerzas existen y cuáles son los valores de las

diversas masas e intensidades de interacción.

Por lo tanto, aunque la teoría de cuerdas en sí misma es

absolutamente singular, establecer la conexión entre esta y los

experimentos ha resultado ser bastante difícil. Sin saber cómo están

compactadas las dimensiones adicionales, es imposible decir mucho

sobre qué predicciones ofrecería la teoría para el mundo observable.

Este es un problema bastante general de cualquier intento de

aplicar la mecánica cuántica a la gravedad, no es exclusivo de la

teoría de cuerdas: los análisis experimentales directos requieren

energías del orden de la escala de Planck, que ningún acelerador de

partículas que podamos construir alcanzará jamás. Lo cual no

significa que nunca vayamos a disponer de datos que nos permitan

poner a prueba nuestros modelos de gravedad cuántica, pero esas

pruebas van a exigir más maña que fuerza bruta.

§. Las branas y el multiverso

En los años noventa, la manera en que la gente estaba intentando

establecer una conexión entre la teoría de cuerdas y la realidad

experimentó un cambio espectacular. El impulso para este cambio

se debió al descubrimiento por parte de Joseph Polchinski de que la

teoría de cuerdas no es simplemente una teoría de cuerdas

unidimensionales, sino que existen también objetos

multidimensionales que desempeñan un papel fundamental.

Una superficie bidimensional se denomina «membrana», pero los



teóricos de cuerdas necesitaban poder describir también objetos de

tres o más dimensiones, por lo que adoptaron la terminología «2-

brana», «3-brana», etcétera. Una partícula es una cero-brana, y una

cuerda es una 1-brana. Utilizando estas branas adicionales, los

teóricos de cuerdas demostraron que su teoría es aún más

particular de lo que habían pensado: las cinco teorías de

supercuerdas con diez dimensiones —así como una teoría de

«supergravedad» de once dimensiones que no incorpora ninguna

cuerda— son simplemente distintas versiones de una «teoría M» más

fundamental. (A día de hoy, nadie sabe realmente qué se supone

que significa esa «M».)

La mala noticia es que esta profusión de branas llevó a los teóricos

de cuerdas a descubrir todavía más maneras de compactar las

dimensiones adicionales. En parte, esto se debió a los intentos de

encontrar compactaciones que incorporasen una magnitud positiva

de la energía del vacío, algo exigido por el descubrimiento en 1998

de que el universo está acelerándose (una de las raras ocasiones en

que el progreso en la teoría de cuerdas vino instigado por los

experimentos). Lisa Randall y Raman Sundrum se basaron en la

teoría de branas para desarrollar un tipo completamente nuevo de

compactación, en el que el espacio «se curvaba» entre dos branas.

Esto condujo a una rica variedad de nuevas aproximaciones hacia la

física de partículas, incluidas nuevas maneras de enfrentarse al

problema de jerarquía.

Por desgracia, también acabó aparentemente con las esperanzas

que aún quedaban de que al encontrar la compactación «correcta»



podríamos de alguna manera conectar la teoría de cuerdas con el

Modelo Estándar. El número de compactaciones del que estamos

hablando es difícil de estimar, aunque se han manejado números

del orden de 10500. Eso son muchas compactaciones, y más

cuando la tarea que tenemos ante nosotros consiste en revisarlas

todas en busca de la que encaje con el Modelo Estándar.

En respuesta, algunos de los impulsores de la teoría de cuerdas

optaron por tomar una dirección diferente: en lugar de encontrar la

única compactación verdadera, imaginan que distintas partes del

espacio-tiempo se caracterizan por diferentes compactaciones, y que

cada una de las compactaciones existe en algún lugar. Como las

compactaciones definen las partículas y las fuerzas que se observan

a bajas energías, esto es como si las leyes de la física fuesen

distintas en diferentes regiones. Podemos entonces decir que cada

una de estas regiones es un «universo» separado, y llamar

«multiverso» al conjunto de todos ellos.

Podría parecer que esta idea supone la renuncia a cualquier

pretensión de realizar predicciones comprobables. Sin duda es

difícil, pero los defensores del multiverso aseguran que aún hay

esperanza. Afirman que en muchas zonas del multiverso las

condiciones son tan inhóspitas que en ellas no podría surgir

ninguna forma de vida inteligente. Puede que no existan las fuerzas

apropiadas, o que la energía del vacío sea tan alta que incluso los

átomos individuales se descompongan por la expansión del

universo. Un problema es que no entendemos muy bien cuáles son

las condiciones en las que puede surgir la vida. No obstante, si



pudiésemos dejar de lado consideraciones tan mundanas como

estas, los optimistas aún conservan la esperanza de que podrían

hacer predicciones sobre lo que verían unos observadores en el

multiverso. Dicho de otro modo, incluso aunque no veamos otros

«universos» directamente, podríamos utilizar la idea del multiverso

para hacer predicciones comprobables. El «principio antrópico» es la

idea según la cual existe un potente efecto de selección que

restringe las condiciones que podríamos observar a aquellas que son

compatibles con nuestra existencia.

Es un plan ambicioso, posiblemente abocado al fracaso. Pero hay

quien lo intenta, y en particular han aplicado esta idea a las

propiedades del bosón de Higgs. Estas son aguas peligrosas: ya en

1990, Mijaíl Shaposhnikov e ígor Tkachev trataron de predecir la

masa del Higgs bajo determinadas suposiciones antrópicas y

obtuvieron un valor de 45 GeV. Lo cual es claramente incompatible

con los datos de los que ahora disponemos, por lo que es evidente

que esas suposiciones contenían algún error. Bajo otras

suposiciones distintas, en 2006, otro grupo predijo un valor de 106

GeV, que se aproximaba más, pero tampoco acertaba. Ahora que

tenemos un bosón de Higgs de 125 GeV es poco probable que se

publiquen muchas predicciones que no consigan de alguna manera

dar con ese valor.

Para ser justos, debemos mencionar el éxito más impresionante del

razonamiento antrópico: la predicción del valor de la energía del

vacío. En 1987, más de diez años antes del descubrimiento de la

aceleración del universo, Steven Weinberg señaló que una energía



del vacío muy alta (o de valor negativo muy grande) impediría la

formación de las galaxias. Por lo tanto, la mayoría de los

observadores en un multiverso deberían ver valores pequeños pero

no nulos de la energía del vacío. (Cero es un valor permitido, pero

hay más números distintos de cero que números iguales a cero.) El

valor que creemos haber observado es perfectamente compatible con

la predicción de Weinberg. Por supuesto, Weinberg estaba

imaginando implícitamente un multiverso en el que lo único que

cambiase de una zona a otra fuese la energía del vacío. Si

permitimos que varíen también otros parámetros, la concordancia

es mucho menos impresionante.

A pesar del tono pesimista, incluso reticente, de esta sección, creo

que el escenario del multiverso es de hecho bastante plausible. (En

From Eternity to Here sugería que podría ser útil para explicar la

baja entropía del universo primigenio.) Si la teoría de cuerdas o

alguna otra teoría de la gravedad cuántica dejan espacio para

diferentes manifestaciones de las leyes locales de la física en

distintas regiones del espacio-tiempo, el multiverso podría ser real,

con independencia de que podamos observarlo o no. Y yo siempre he

defendido que debemos tomarnos en serio las cosas que podrían ser

reales. Sin embargo, con nuestros conocimientos actuales, estamos

muy lejos de poder convertir el multiverso en una teoría predictiva

para la física de partículas. No podemos dejar que nuestra aversión

personal empañe nuestro juicio sobre los escenarios cosmológicos,

pero tampoco debemos permitir que nuestro entusiasmo nuble

nuestras facultades críticas.



§. Aventurándonos más allá

Hay muchas más cosas por descubrir en el ámbito de lo muy

pequeño, y hay muchos otros aspectos de la física de partículas que

van más allá del Modelo Estándar. ¿Por qué hay más materia que

antimateria en el universo? Varios de los escenarios que se han

planteado para generar tal asimetría implican la evolución

cosmológica del campo de Higgs, por lo que es plausible que una

mejor comprensión de sus propiedades nos ofrezca nuevas maneras

de abordar este problema. También existen interesantes modelos

«tecnicolor», según los cuales el Higgs es una partícula compuesta,

como el protón, y no algo fundamental. Hay otros datos de la física

de partículas que no parecen encajar con las versiones actuales del

tecnicolor, pero el estudio del Higgs podría depararnos sorpresas.

Descubrir el Higgs no es el fin de la física de partículas. El Higgs era

la última pieza del Modelo Estándar, pero es también una ventana

hacia la física más allá de esa teoría. En los años venideros

utilizaremos el Higgs para buscar (y, si hay suerte, estudiar) la

materia oscura, la supersimetría, las dimensiones adicionales y

cualquier otro fenómeno que sea necesario para que la teoría cuadre

con los nuevos datos que vamos conociendo. El descubrimiento del

Higgs supone el final de una era y el principio de otra.



Capítulo 13

Que merezca la pena defenderlo

Donde nos preguntamos por qué la física de partículas

merece la pena y reflexionamos sobre lo que está por venir.

En 1969, el Comité Conjunto del Congreso sobre Energía Atómica

citó a Robert Wilson, el físico encargado de la construcción del

Fermilab, para que ayudase a los senadores y congresistas a

entender los motivos de un proyecto que costaría muchos millones

de dólares. Supuso un punto de inflexión en la historia de la física

de partículas en Estados Unidos. El Proyecto Manhattan había

propiciado que aumentasen tanto su influencia como su

financiación, pero no estaba claro de qué manera la búsqueda de

nuevas partículas elementales tendría algún resultado tangible,

como un nuevo tipo de arma. El senador John Pastore, de Rhode

Island, le preguntó a Wilson directamente: «¿Hay algún aspecto de

las esperanzas puestas en este acelerador que guarde alguna

relación con la seguridad de este país?».

Wilson respondió de manera igualmente directa: «No, señor. Creo

que no.»

Es fácil suponer que esta respuesta sorprendió a Pastore.

Probablemente esperaba escuchar toda una retahíla de motivos por

los que el Fermilab era fundamental para seguir la estela de los

soviéticos, un argumento que en esa época se utilizaba para

prácticamente cualquier cosa. Pastore preguntó si en realidad no

había nada en absoluto, a lo que Wilson simplemente respondió:



«Nada de nada». Pero uno no llega a ser senador si no es al menos

un poco testarudo, así que Pastore lo intentó por tercera vez, para

confirmar que había oído bien: «¿No tiene ningún valor en ese

sentido?».

Wilson no tenía un pelo de tonto. Se dio cuenta de que se esperaba

algo más de él si quería que el Congreso financiase su ambicioso

pero esotérico proyecto, pero se negó a recular. Su respuesta es una

de las más citadas en la larga historia de frases con las que los

científicos intentan explicar qué es lo que hacen:

Solo tiene que ver con el respeto con que nos miramos unos a

otros, con la dignidad del ser humano, con nuestro amor por la

cultura. Tiene que ver con si somos buenos pintores, buenos

escultores, grandes poetas, con todas esas cosas que realmente

veneramos en este país y que exaltan nuestro patriotismo. No

tiene nada que ver directamente con la defensa de nuestro país

salvo porque hace que merezca la pena defenderlo.

La Gran Ciencia no es barata. El Gran Colisionador de Hadrones ha

costado alrededor de 9.000 millones de dólares, en su gran mayoría

procedentes de los impuestos recaudados en muchos países de todo

el mundo. La gente que pagó ese dinero tiene derecho a saber qué es

lo que obtendrá a cambio de su inversión. A la comunidad científica

le corresponde ser todo lo sincera y convincente que pueda sobre los

beneficios de la investigación básica.

Algunos de estos beneficios toman la forma de avances tecnológicos.

Pero, en última instancia, esos no son los más importantes. Lo



realmente importante es el conocimiento que adquirimos gracias a

estos experimentos tan ambiciosos.

No todo el mundo está de acuerdo. Steven Weinberg, que ha sido un

infatigable defensor de la inversión en ciencia básica, recuerda una

anécdota:

Durante el debate sobre el SSC, estaba en el programa de radio

de Larry King con un congresista que se oponía a su

construcción. Decía que no estaba en contra de la inversión en

ciencia, pero que teníamos otras prioridades. Le expliqué que el

SSC nos ayudaría a entender las leyes de la naturaleza, y le

pregunté si no le parecía que eso era algo prioritario. Recuerdo

perfectamente cada palabra de su respuesta. Fue: «No».

No es una actitud poco frecuente. Pero sí es un punto de vista

empobrecedor, incapaz de contemplar el panorama en toda su

extensión. Puede que la ciencia básica no dé lugar a mejoras

inmediatas para la defensa nacional o a la cura del cáncer, pero

enriquece nuestras vidas al permitirnos conocer mejor el universo

del que formamos parte. Y eso debería ser algo muy prioritario.

§. ¿Cuándo tendré mi mochila a propulsión?

Lo cual no significa de ninguna manera que no nos gustaría que el

trabajo que se lleva a cabo actualmente en física de partículas

tuviese aplicaciones tecnológicas útiles. Los científicos se apresuran

a señalar que la investigación básica —la investigación científica que

constituye un fin en sí misma, que no se lleva a cabo buscando



aplicaciones tecnológicas inmediatas— ha acabado teniendo muy a

menudo consecuencias enormemente prácticas, aunque no se

hubiesen podido prever con antelación. De la electricidad a la

mecánica cuántica, las páginas de la historia están repletas de ideas

que en su momento se consideraron abstractas y poco prácticas,

pero más tarde acabaron siendo fundamentales para el progreso

tecnológico. En consecuencia, cada vez que se realiza un nuevo

descubrimiento científico, la gente quiere saber: ¿cuándo tendré mi

mochila a propulsión?

¿Podemos imaginar que la investigación que se lleva a cabo en el

LHC corra una suerte similar? Como decía Yogi Berra, es difícil

hacer predicciones, especialmente sobre el futuro. Sin embargo, sí

podemos imaginar que lo que encontremos en el LHC podría tener

un carácter muy distinto a la física fundamental de los últimos

siglos. Es posible que ninguna de las partículas que descubramos

en el LHC tenga nunca ninguna aplicación práctica.

No es mero pesimismo, sino que tiene que ver con el tipo particular

de cosas que esperamos descubrir. Cuando Benjamín Franklin

estaba estudiando la electricidad, o cuando Heinrich Hertz producía

ondas de radio, no estaban creando cosas que no existiesen ya en el

mundo. La electricidad y las ondas de radio existen a nuestro

alrededor, y no provienen únicamente de fuentes artificiales. Los

científicos de aquella época estaban aprendiendo a manipular

misteriosas propiedades del mundo que tenían a su alcance, y no es

sorprendente que los conocimientos que adquirieron al hacerlo

resultaran de utilidad práctica más adelante. En el LHC, sin



embargo, estamos creando literalmente partículas que no existen en

nuestro entorno cotidiano. Y hay buenos motivos para ello. Las

partículas son normalmente muy masivas, por lo que se necesita

una enorme cantidad de energía para crearlas. Y, además, o bien

interactúan muy débilmente, de manera que es difícil capturarlas o

manipularlas (como los neutrinos), o bien tienen una vida media

extremadamente breve, y se desintegran antes de que se les pueda

dar ningún uso.

Tomemos el bosón de Higgs como ejemplo. No es fácil producir un

bosón de Higgs. La única manera de hacerlo que conocemos es con

un acelerador de varios kilómetros de longitud. Podemos, qué duda

cabe, imaginar mejoras tecnológicas que nos permitiesen tener un

aparato de bolsillo capaz de alcanzar energías tan altas. Nadie tiene

ni idea de cómo hacerlo, pero no violaría las leyes de la física. Por

otra parte, si dispusiésemos de un Higgs productor de bosones,

¿para qué nos serviría? Cada bosón de Higgs que se produce se

desintegra en menos de un zeptosegundo. Cuesta imaginar alguna

aplicación práctica de estos bosones que no se realizase de manera

más eficiente con otras partículas.

No obstante, este argumento tiene sus puntos débiles, desde luego.

Los muones son partículas inestables y se les han encontrando

potenciales aplicaciones tecnológicas, desde catalizar la fusión

nuclear a buscar cámaras ocultas en las pirámides. Pero el muón

tiene una vida media de aproximadamente una millonésima de

segundo, mucho más larga que la del bosón de Higgs. Los neutrinos

son estables, si bien interactúan débilmente, y algún visionario ha



imaginado la posibilidad de usarlos con fines de comunicación. Si

nos sintiésemos particularmente optimistas, podríamos imaginar

que el descubrimiento de partículas de materia oscura se utilizase

para fines similares. Ahora bien, no es algo en lo que yo

recomendaría que se invirtiese mucho dinero.

Puesto que el Higgs es el responsable de que las partículas

adquieran masa, hay quien se pregunta si el hecho de dominar sus

propiedades nos permitirá crear cosas más ligeras o más pesadas. O

cosas peores. Al día siguiente del anuncio del descubrimiento del

Higgs, el 4 de julio, el periódico canadiense National Post publicó un

atrevido titular: «El descubrimiento del bosón de Higgs podría

posibilitar los viajes a la velocidad de la luz, según los científicos».

Ninguno de los científicos mencionados en el artículo decía nada

parecido, pero supongo que es posible que algún científico en algún

lugar en algún momento haya dicho algo así.

Utilizar el Higgs para hacer que las cosas sean más ligeras o más

pesadas es básicamente imposible, por varias razones. La más obvia

es que la mayor parte de la masa de los objetos ordinarios no

procede del Higgs, sino de la energía debida a la interacción fuerte

que existe en el interior de los protones y los neutrones. Pero lo que

es más importante es que en realidad es el campo de Higgs, no el

bosón de Higgs, el que proporciona masa a los quarks y a los

leptones con carga. Si quisiésemos, por ejemplo, hacer que variase

la masa del electrón, no tendríamos que bombardearlo con bosones

de Higgs, sino que deberíamos alterar el valor del campo de Higgs.

Y eso es más fácil decirlo que hacerlo. Por una parte, aunque



podemos imaginar que fuésemos capaces de alterar el campo de

Higgs, no tenemos ni idea de cómo hacerlo. Por otra, sería necesaria

una cantidad desorbitante de energía. Imaginemos que hemos

encontrado la manera de desplazar el campo de Higgs de su valor

normal (246 GeV) hasta cero, en el interior de un volumen pequeño

pero macroscópico. El valor habitual que tiene el campo de Higgs es

el estado de menor energía en el que puede encontrarse. Si lo

desplazamos hasta el cero, eso significa que nuestro pequeño

volumen está ahora repleto de energía. Según E = mc2, eso significa

que posee masa. Un cálculo rápido revela que un volumen del

tamaño de una pelota de golf, dentro del cual el campo de Higgs se

hubiese desplazado hasta el cero, tendría aproximadamente la

misma masa que toda la Tierra. Si lo hiciésemos mucho más

grande, sería tal la masa contenida en un espacio pequeño que todo

el volumen colapsaría para dar lugar a un agujero negro.

Por último, incluso aunque de alguna manera consiguiésemos

desconectar el campo de Higgs, por ejemplo en nuestro cuerpo, no

seríamos los únicos en perder peso. Determinadas partículas

elementales (electrones y quarks) también se volverían más ligeras,

y se restauraría la simetría ahora rota de la interacción débil. Como

consecuencia de ello, los átomos y las moléculas de nuestro cuerpo

pasarían a encontrarse en configuraciones completamente distintas,

y la mayoría de ellos se desintegrarían completamente, liberando

una enorme cantidad de energía. Si disminuyese el valor del campo

de Higgs, no adelgazaríamos, sino que nuestro cuerpo explotaría.

Así que no espere que aparezca ningún aparato de levitación basado



en el Higgs en el futuro próximo. Por otra parte, sigue siendo

perfectamente posible que nuevos descubrimientos en el LHC

pongan los cimientos para futuras aplicaciones que a día de hoy

somos incapaces de prever. Aunque no sea ese el motivo por el que

vamos tras ellos.

§. Productos derivados

La investigación en física de partículas con frecuencia se concreta

en beneficios muy tangibles. Estos suelen tomar la forma de

productos derivados: nuevas tecnologías que se desarrollan para

hacer frente a las dificultades que plantea el propio proyecto

experimental, en lugar de ser aplicaciones directas del

descubrimiento de nuevas partículas.

El ejemplo más claro es la World Wide Web. Tim Berners-Lee, que

trabajaba en el CERN, inventó la web cuando buscaba la manera de

facilitar que los físicos compartieran la información. Ahora cuesta

imaginar un mundo sin ella.

Nadie sugirió nunca que se financiase el CERN porque algún día

inventarían la WWW. Se trata simplemente de reunir a gente

inteligente en el entorno propicio y hacer que se enfrenten a

imponentes retos tecnológicos, y después recoger los beneficios

resultantes.

Hay muchos otros ejemplos similares. La necesidad de alimentar los

imanes extraordinariamente potentes de los aceleradores de

partículas ha dado lugar a notables progresos en la tecnología de los

superconductores. La capacidad de manipular las partículas ha



encontrado aplicaciones en medicina, en la esterilización y análisis

de alimentos y en otras áreas de la ciencia como la química y la

biología. Los detectores resistentes y de alta precisión que se

utilizan en los experimentos con partículas también se emplean

ahora en medicina para pruebas de radiación y en seguridad. Las

extraordinarias exigencias en cuanto a capacidad de computación y

transferencia de información entre los físicos de partículas han

propiciado avances en la tecnología de los ordenadores. La lista es

muy larga, pero la lección está bien clara: el dinero que se gasta en

la búsqueda de partículas esotéricas no es en balde.

Es difícil cuantificar exactamente cuál es el grado de eficiencia de la

inversión en investigación básica. Los estudios realizados por el

economista Edwin Mansfield sugieren que, para la sociedad en su

conjunto, es sin duda una inversión acertada. Mansfield argumenta

que la inversión pública en ciencia básica proporciona en promedio

un retorno del 28 por ciento, algo que prácticamente cualquiera

estaría encantado de obtener con su cartera de inversiones. Una

cifra como esa es en el mejor de los casos sugerente, porque los

detalles dependen en gran medida de cuáles son los sectores objeto

de estudio y qué se entiende por «ciencia básica». Pero refuerza la

impresión de que, cuando hablamos de ciencia puntera, incluso la

investigación más alejada de la aplicación directa acaba dando

dividendos impresionantes.

El producto derivado más importante de la investigación básica no

es en absoluto tecnológico: es la inspiración que la ciencia ofrece a

personas de todas las edades. ¿Quién sabe cuándo algún chaval, al



escuchar las noticias sobre el bosón de Higgs, podría interesarse por

la ciencia, empezar a estudiar, y acabar convirtiéndose en un

médico o ingeniero de talla mundial? Cuando la sociedad dedica

una pequeña proporción de su riqueza a plantearse y dar respuesta

a las grandes cuestiones, nos recuerda a todos la curiosidad que

sentimos por este universo en el que vivimos. Y esto tiene toda clase

de consecuencias positivas.

§. El futuro de la física de partículas

Dejando aparte al malhumorado congresista de Weinberg, la

mayoría de la gente está dispuesta a reconocer que aprender cuáles

son las leyes de la naturaleza es un proyecto que merece la pena. No

obstante, es razonable preguntar exactamente cuánto creemos que

merece la pena. El recuerdo del destino que corrió el

Supercolisionador Superconductor se cierne como una sombra

amenazadora sobre cualquiera que reflexione sobre el futuro de la

física de partículas. Vivimos en una era en la que no sobra el dinero,

y los proyectos costosos se han de justificar. El LHC es un logro

asombroso y, con suerte, seguirá funcionando durante muchos años

más, pero llegará el momento en que habremos aprendido de él todo

lo que podía enseñarnos. ¿Y entonces qué?

El problema es que, aunque la inmensa mayoría de los proyectos

científicos interesantes son mucho menos costosos que los

aceleradores de partículas de alta energía, hay ciertas cuestiones

que no podemos abordar sin máquinas como esas. El LHC costó

aproximadamente 9.000 millones de dólares, y nos ha dado el bosón



de Higgs y, con suerte, nos brindará muchas otras cosas en el

futuro. Si nos hubiésemos limitado a invertir 4.500 millones de

dólares en el proyecto, no habríamos descubierto medio bosón de

Higgs ni habríamos tardado el doble en descubrirlo. Simplemente no

habríamos encontrado nada. Para producir nuevas partículas se

necesitan altas energías y luminosidades sustanciales, que a su vez

requieren una gran cantidad de equipos de precisión y de

experiencia, cosas ambas que cuestan dinero. Sobre el júbilo por el

maravilloso rendimiento del LHC se cierne la posibilidad muy real

de que sea el último acelerador de alta energía que se construya en

muchos años.

No es que escaseen las ideas sobre cuáles pueden ser los siguientes

pasos, si es que se encuentra el dinero para darlos. Se podrían

introducir mejoras en el propio LHC para que alcanzase energías

más altas, aunque eso parece una solución temporal. La atención se

ha centrado más bien en la posibilidad de un nuevo colisionador

lineal (en línea recta, en lugar de en forma de anillo), que haría

colisionar electrones y positrones. Una propuesta es el denominado

Colisionador Lineal Internacional (ILC, International Linear

Collider), que tendría más de treinta kilómetros de longitud y

alcanzaría energías de 500 GeV o incluso de 1 TeV.

Parece menos energía que el LHC, lo cual se podría entender como

un retroceso, pero los colisionadores positrón-electrón funcionan de

manera distinta que los de hadrones. En lugar de invertir toda la

energía posible en las colisiones y ver qué es lo que sale de ellas, las

máquinas electrón-positrón son ideales para trabajos de precisión,



empleando exactamente la energía necesaria para producir

determinada partícula. Ahora que creemos que el Higgs se

encuentra a 125 GeV, este sería un objetivo tentador para la física

que se llevaría a cabo en un acelerador lineal.

Las estimaciones del coste del ILC van desde los 7.000 a los 25.000

millones, y se han barajado posibles sedes en Europa, Estados

Unidos y Japón. Evidentemente, el proyecto requeriría una

importante colaboración internacional y un alto grado de

experiencia, tanto en lo que se refiere a la política como a la física

experimental. En el CERN se ha desarrollado una propuesta

alternativa, el Colisionador Lineal Compacto (CLIC, Compact Linear

Collider). Tendría una longitud menor pero alcanzaría energías más

elevadas mediante el empleo de tecnologías innovadoras (y por lo

tanto más arriesgadas). En 2012, los estudios sobre los dos

proyectos en tiza se combinaron bajo un paraguas único. El nuevo

responsable del proyecto unificado será Lyn Evans, que no pudo

disfrutar durante mucho tiempo de su jubilación tras abandonar el

equipo del CERN.

Evans será el encargado de decidir cuál es la tecnología más

prometedora para seguir avanzando, así como quien tendrá que

hacer juegos malabares con los intereses de los distintos países que

estarían encantados de acoger un nuevo colisionador (pero que no

quieren pagar por él).

Uno de los asuntos en los que insiste cualquiera que haya

participado en el LHC es la inspiración que emana del éxito de su

modelo de colaboración internacional. Científicos y técnicos de muy



diversas nacionalidades, edades y procedencias se han unido para

construir algo más grande que todos ellos. Si nuestra sociedad en

su conjunto es capaz de encontrar la fuerza de voluntad para

dedicar sustanciales recursos a crear nuevas instalaciones, el futuro

de la física de partículas será brillante. Pero, para que esto suceda,

los científicos han de comunicar al gran público el interés y la

importancia de lo que hacen. No se puede vender la física de

partículas diciendo que algún día podría curar el Alzheimer o dar

lugar a dispositivos portátiles de teletransportación. Hemos de decir

la verdad: queremos descubrir cómo funciona la naturaleza. Es la

humanidad en su conjunto la que debe decidir qué valor le da a

esto.

§. Asombro

Al entrevistar a mis colegas físicos para el libro, me sorprendió

cuántos de ellos habían sentido una fascinación por las artes antes

de acabar dedicándose a la ciencia. Fabiola Gianotti, Joe Incandela

y Sau Lan Wu estudiaron arte o música cuando eran jóvenes; David

Kaplan se graduó en realización.

No es una coincidencia. Aunque nuestra búsqueda para entender

cómo funciona la naturaleza a menudo conduce a aplicaciones

prácticas, pocas veces es ese el motivo que despierta el interés en la

gente. La pasión por la ciencia surge a partir de una sensibilidad

estética, no práctica. Descubrimos algo nuevo sobre el mundo, y eso

nos permite apreciar mejor su belleza. A primera vista, las

interacciones débiles son un caos: los bosones que transmiten la



fuerza poseen distintas masas y cargas, y también es diferente la

intensidad con la que interactúan con distintas partículas. Pero

cuando profundizamos, aparece ante nosotros un mecanismo

elegante: una simetría rota, oculta a nuestros ojos por un campo

que se extiende por todo el espacio. Es como poder leer poesía en el

idioma original, en lugar de tener que conformarse con traducciones

mediocres.

Hace poco estuve ayudando a un programa de televisión que

pretendía explicar el bosón de Higgs. En televisión, nunca basta con

usar solo palabras, hay que utilizar imágenes sugerentes. Si

intentas explicar los fenómenos subatómicos, la única manera de

encontrar imágenes sugerentes es recurriendo a una analogía. Esto

es lo que se me ocurrió: imagine pequeños robots pululando por el

suelo de una cámara de vacío. Cada robot está dotado de una vela, y

las hay de todos los tamaños, desde muy grandes a muy pequeñas.

Primero grabamos a los robots cuando se ha hecho el vacío en la

cámara: todos se mueven a la misma velocidad, pues en esa

situación las velas son completamente irrelevantes, ya que no hay

aire que puedan sentir. Pero a continuación dejamos que la

atmósfera penetre en la cámara y los volvemos a filmar en

movimiento. Ahora los robots con velas diminutas siguen

moviéndose muy rápido, mientras que los que las tienen muy

grandes se desplazan mucho más lentamente. Espero que la

analogía quede clara: los robots son las partículas, y las velas son

sus acoplamientos con el campo de Higgs, representado por el aire.

En el vacío, cuando no hay aire, los robots son todos simétricos y se



mueven a la misma velocidad. Al llenar la cámara de aire se rompe

la simetría, igual que la rompe el Higgs. Se podría incluso trazar

una analogía entre las ondas sonoras en el aire y la partícula de

Higgs.

Puesto que soy una persona con inclinaciones teóricas, nadie quería

que me hiciese cargo de los robots, así que pedí consejo a varios

colegas de los departamentos de ingeniería y aeronáutica del

Caltech. Cuando les expliqué lo que quería hacer, la respuesta fue

unánime: «No tengo ni idea de lo que es el bosón de Higgs, o de si la

analogía es buena, pero parece algo asombroso».

En esencia, la ciencia es la búsqueda de lo asombroso, ese asombro

literal que uno siente cuando entiende algo profundo por primera

vez. Es un sentimiento con el que todos nacemos, aunque con

frecuencia se pierde a medida que nos hacemos mayores y otras

preocupaciones más mundanas ocupan nuestras vidas. Cuando se

produce un gran acontecimiento, como el descubrimiento del bosón

de Higgs en el LHC, esa curiosidad infantil que aún pervive en

nuestro interior resurge de nuevo. Fueron necesarias miles de

personas para construir el LHC y sus experimentos, y para analizar

los datos que llevaron al descubrimiento, pero ese logro le pertenece

a cualquiera que sienta interés por el universo.

Muhammad Yahia escribe el blog House of Wisdom para la revista

Nature, dedicado a la ciencia en Oriente Próximo. Después de los

seminarios del 4 de julio en los que se anunció el descubrimiento

del Higgs, celebró así la universalidad del impulso científico:

En un momento en que los pueblos de distintos lugares del



mundo árabe tienen que hacer frente a sus propios problemas

políticos, revoluciones y asuntos relacionados con los derechos

humanos, la ciencia nos habla a todos por igual y nos

convertimos en uno solo. Las únicas dos actividades humanas

que trascienden las fronteras a esta escala tan enorme son el

arte y la ciencia.

El 4 de julio de 2012, apenas horas después de los seminarios que

anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs a un mundo

expectante, le preguntaron a Lyn Evans qué es lo que esperaba que

los jóvenes sacasen en claro de la noticia. Su respuesta fue

inmediata: «Inspiración. Estos proyectos insignia deben ser fuente

de inspiración. Cuando éramos jóvenes estaban pasando muchas

cosas, como la llegada del hombre a la Luna. Hacer que la gente

joven se ilusione con la ciencia es esencial». Y podemos decir que lo

han conseguido.

§. Significado y verdad

Los orígenes de la física de partículas se remontan a los atomistas

griegos y romanos de la Antigüedad. Filósofos como Leucipo,

Demócrito, Epicuro y

Lucrecio desarrollaron una comprensión del mundo natural basada

en la idea de que la materia y la energía representaban diversas

ordenaciones de un número reducido de átomos fundamentales. No

eran científicos en el sentido moderno de la palabra, pero algunas

de sus ideas encajan bastante bien con nuestra manera actual de



pensar sobre el universo.

En el mundo antiguo no existía la estricta separación que hemos

erigido entre las distintas disciplinas académicas en la universidad

contemporánea, de manera que, como filósofos, estaban tan

interesados por la ética y el significado de la vida como por la

realidad material. Como sucede con su idea de los átomos, no todas

sus conclusiones siguen vigentes actualmente, pero muchas de sus

ideas continúan siendo relevantes. Trataron de desarrollar las

consecuencias lógicas de su visión de un mundo formado por

átomos. Si la realidad es simplemente la interacción entre átomos,

¿dónde encontraremos propósito y significado? Epicuro, en

particular, respondió a este problema señalando que el valor radica

en la vida tal y como la vivimos en la Tierra, y animando a sus

seguidores a enfrentarse a la muerte con serenidad, a valorar la

amistad y a buscar el placer en la moderación.

La ciencia es en última instancia una empresa descriptiva, no

prescriptiva. Nos dice qué es lo que sucede en el mundo, no lo que

debería suceder ni cómo hemos de juzgar lo que sucede. Conocer la

masa del bosón de Higgs no hace que seamos mejores personas, ni

nos ayuda a decidir qué organización humanitaria merece nuestro

apoyo. Sin embargo, la práctica de la ciencia ofrece varias lecciones

fundamentales para la manera en que vivimos nuestras vidas.

La primera lección es que todos formamos parte del universo. Todos

los elementos que componen el cuerpo humano se describen

satisfactoriamente a través del Modelo Estándar de la física de

partículas. Los elementos más pesados, que tan fundamentales son



para nuestra bioquímica, se formaron por fusión nuclear en el

interior de las estrellas, de ahí el famoso dicho de Cari Sagan:

«Somos polvo de estrellas». Saber que nuestros átomos se rigen por

el Modelo Estándar no es muy útil cuando de lo que se trata es de

resolver los problemas de nuestra vida cotidiana relacionados con la

política, la psicología, la economía o las relaciones sentimentales.

Pero cualquier idea que tengamos en ese sentido debería al menos

ajustarse a lo que sabemos sobre el comportamiento de las

partículas elementales.

Somos una parte del universo que ha desarrollado una notable

capacidad: podemos construirnos una imagen del mundo en

nuestra mente. Somos materia que se contempla a sí misma. ¿Cómo

es eso posible? La física de partículas no nos da la respuesta, pero

es un ingrediente básico en una historia más amplia de la que dicha

respuesta emerge. Con el descubrimiento del bosón de Higgs,

nuestra comprensión de la física que subyace en nuestra realidad

cotidiana es completa. Hay mucho sitio para nuevas partículas y

fuerzas, pero solo para aquellas cuya interacción con la materia

ordinaria es tan débil o tan breve que no podemos percibirlas sin

construir aparatos de miles de millones de dólares. Este es un logro

sobresaliente en la historia intelectual de la humanidad.

La otra lección de la ciencia es que la naturaleza no permite que nos

engañemos a nosotros mismos. La ciencia procede planteando

suposiciones, que dignifica llamándolas «hipótesis», y

comprobándolas después con los datos. El proceso puede tardar

décadas o incluso más —y determinar qué se entiende por «la mejor



explicación de los datos» es un problema especialmente complicado

—, pero, a fin de cuentas, los experimentos tienen la última palabra.

No importa lo bella que sea tu idea, cuántos premios hayas ganado

o cuál sea tu cociente intelectual: si tu teoría contradice los datos,

es errónea.

Esta es una de esas situaciones en las que hay una noticia buena y

una mala. La mala es que la ciencia es difícil. La naturaleza es

implacable, y la mayoría de las teorías que podríamos proponer (y,

de hecho, la mayoría de las que se proponen) resultarán ser

incorrectas. Pero la buena noticia es que la naturaleza, esa severa

tirana, nos guía progresivamente hacia ideas que nunca habríamos

podido inventar armados únicamente de nuestra capacidad mental.

Parafraseando a Sidney Coleman, mil filósofos que se pasasen mil

años pensando nunca habrían inventado nada tan extraño como la

mecánica cuántica.

Solo somos capaces de crear las estructuras profundamente

contrarias a nuestra intuición que constituyen la base de la física

moderna porque los datos nos cierran cualquier otra vía de escape.

Imagine que una persona de la Antigüedad se preguntase qué es lo

que hace que el Sol brille. No es verosímil imaginar que, tras

reflexionar sobre ello durante un rato, concluyese: «Seguro que el

Sol está compuesto por partículas que pueden chocar entre sí y

unirse, y que una de ellas se transforma en otra de un tipo distinto

emitiendo una tercera partícula, que carecería de masa de no ser

por la existencia de un campo que ocupa todo el espacio y rompe la

simetría responsable de la fuerza asociada, y que la fusión de las



dos partículas originales libera energía, que es en última instancia

lo que vemos como luz solar». Pero eso es exactamente lo que

sucede. Hemos tardado muchas décadas en encajar las distintas

piezas de esta historia, y nunca lo habríamos hecho si, a cada paso

que dábamos, no nos hubiesen obligado a ello las exigencias de la

observación y los experimentos.

La parte positiva es que, una vez que los datos nos orientan sobre

cuál es el camino a seguir, la ciencia es capaz de dar extraordinarios

saltos hacia el futuro. En los años sesenta, los físicos construyeron

una teoría unificada de las interacciones electromagnética y débil,

basada en algunos principios generales que los experimentos

previos habían dado por buenos y en determinados hechos

procedentes de la observación, tales como la ausencia de bosones

sin masa que transmitiesen la fuerza débil. De esa teoría surgió una

predicción: debería existir una nueva partícula con masa, el bosón

de Higgs, que se acople con las partículas conocidas de

determinadas maneras concretas. En 2012, cuarenta y cinco años

después de que el artículo de Steven Weinberg del año 1967

combinase todos los elementos de la teoría, esa predicción se hizo

realidad. El intelecto humano, guiado por las pistas que deja la

naturaleza, fue capaz de dilucidar una verdad profunda sobre el

funcionamiento del universo. Y, basándonos en esa idea, esperamos

ver todavía más allá en los años venideros.

Cuando hablé con JoAnne Hewett sobre qué es lo que necesita un

físico para tener éxito, hubo una palabra que se repitió una y otra

vez: «perseverancia». Un científico necesita tener perseverancia para



no abandonar cuando deba enfrentarse a problemas difíciles, y la

sociedad en su conjunto necesita estar dispuesta a apoyar proyectos

costosos y de larga duración para hacer frente a las cuestiones más

difíciles. Cuando de lo que se trata es de comprender la arquitectura

de la realidad, la parte fácil hace tiempo que ha quedado atrás.

Las cuestiones a las que nos enfrentamos son difíciles, pero, si la

historia reciente nos puede servir de guía, con mucha determinación

y algún que otro destello de genio nos debería bastar para

resolverlas. Puede que hayamos completado la construcción del

Modelo Estándar, pero aún tenemos por delante la tarea de

incorporar el resto de la realidad a la comprensión humana. Si no

fuese difícil no sería tan divertido.



Apéndice 1

Masa y espín

Lo primero que he dicho sobre el campo de Higgs es que

proporciona masa a otras partículas. En este apéndice voy a

explicar lo que eso significa con algo más de detalle. Nada de lo que

aquí se cuenta es absolutamente necesario, pero puede que ayude a

aclarar un par de cosas.

Entonces, ¿por qué necesitamos un campo cuya función es la de dar

masa a otras partículas? ¿Por qué no pueden las partículas tener

masa sin ninguna ayuda?

Podemos imaginar perfectamente la existencia de partículas con

masa sin la intervención del campo de Higgs. Pero las partículas del

Modelo Estándar son un tipo especial que no permite que eso

suceda. Hay dos conjuntos distintos de partículas que adquieren su

masa del campo de Higgs: los bosones W y Z que transmiten la

fuerza de las interacciones débiles, y los fermiones con carga

eléctrica (el electrón, el muón, el tau y todos los quarks). La manera

en que los bosones adquieren masa se diferencia en algunos

aspectos de la forma en que la obtienen los fermiones, pero la

consigna fundamental es la misma en ambos casos: existe una

simetría que aparentemente prohíbe cualquier masa, pero el campo

de Higgs rompe dicha simetría. Para entender cómo sucede, hay que

hablar del espín de las partículas elementales, algo que he estado

evitando hasta este momento.

El espín es una de las características definitorias fundamentales de



un partícula en la mecánica cuántica. La propia expresión

«mecánica cuántica», aunque no es la terminología más precisa que

se ha inventado jamás, procede del hecho de que ciertas cosas solo

aparecen en paquetes discretos, no toman cualquier valor posible.

Por ejemplo, la energía de un electrón que está ligado a un núcleo

atómico solo puede tomar determinados valores. Lo mismo sucede

con una magnitud conocida como «momento angular», que permite

caracterizar lo rápido que un objeto rota sobre sí mismo o alrededor

de otro objeto. Las reglas de la mecánica cuántica nos dicen que el

momento angular está cuantizado: solo puede tomar múltiplos fijos

de un valor fundamental. La unidad mínima de momento angular

viene dada por la constante de Planck, h, una magnitud

fundamental de la naturaleza, dividida por 2π. Esta cantidad es tan

importante que tiene su propia ortografía particular: se llama ћ, que

se pronuncia «hache barra». Planck inventó la constante ћ original

en los primeros días de la mecánica cuántica, pero resulta que ћ es

mucho más útil, así que a menudo nos referimos a ella como «la

constante de Planck». Numéricamente, ћ es aproximadamente igual

a 6,58 x 10-16, en unidades de electronvoltios multiplicados por

segundos.

Imagine que tenemos una peonza que está dando vueltas y que

podemos manipular con mucha precisión. Hacemos que gire cada

vez más despacio y observamos su movimiento con todo detalle. Lo

que vemos es que, a medida que el giro se ralentiza, la peonza solo

puede tomar determinadas velocidades de rotación, pero no otras: la

rotación de la peonza puede pasar de pronto de una velocidad a



otra, como el segundero de un reloj salta de un segundo al

siguiente. En un momento dado, llegamos a la velocidad de rotación

más baja posible, cuando el momento angular de la peonza es igual

a ћ. La razón por la que no nos damos cuenta de este fenómeno

cuando vemos a los patinadores olímpicos dar vueltas sobre el hielo

es que esa mínima velocidad de rotación es muy lenta: una peonza

de juguete con momento angular de ti tardaría cien billones de veces

la edad del universo en dar una vuelta completa.

La rotación de una peonza posee momento angular porque los

átomos que la componen giran alrededor de un eje central. Una de

las consecuencias de la mecánica cuántica es que las partículas

individuales también pueden tener «espín», aunque en realidad no

giren alrededor de ninguna cosa. Lo sabemos porque el momento

angular total permanece constante a lo largo del tiempo, y

observamos procesos en los que partículas que antes de interactuar

están orbitando dejan de hacerlo como consecuencia de la

interacción. En ese caso, debemos concluir que el momento angular

ha pasado al espín de la partícula. Cuando hablemos de «espín»,

siempre nos referiremos a esta rotación intrínsecamente

mecanocuántica de las partículas elementales, y utilizaremos

«momento angular» para hablar del fenómeno clásico en el que un

objeto se mueve alrededor de otro (también conocido como momento

angular «orbital»).

§. Cómo funciona el espín

Hay varios hechos fundamentales que hay que saber sobre el espín.



Cada tipo de partícula posee una cantidad fija y constante de espín:

nunca rotarán más rápido ni más despacio. Medido en unidades de

ft, cada fotón del universo tiene un espín igual a uno, mientras que

el de cada bosón de Higgs es igual a cero. El espín es una

característica intrínseca de la partícula, no es algo que varíe con la

evolución de la misma (a menos que se transforme en otro tipo de

partícula).

A diferencia del momento orbital angular normal, la unidad mínima

de espín es medio h, en lugar de un ti entero. Un electrón posee un

espín de un medio, igual que un quark up. La razón por la que esto

es así es una de esas curiosas rarezas de la teoría cuántica de

campos, pero para profundizar en ello tendría que entrar en más

detalles que en el resto de este apéndice, ya relativamente técnico de

por sí.

Existe una correlación sencilla entre el espín de una partícula y su

naturaleza de fermión o bosón. Todos los bosones poseen un espín

cuyo valor es un número entero: 0, 1, 2, etc. (en unidades de ti, que

serán las que utilicemos de aquí en adelante). Todo fermión posee

un espín igual a un entero más un medio: 1/2, 3/2, 5/2, etc. Esta

conexión es tan estrecha que mucha gente define los bosones como

«partículas con espín entero» y los fermiones como «partículas con

espín semientero». Pero eso no es exactamente correcto: la definición

que he dado, según la cual los bosones se pueden amontonar unos

encima de otros, mientras que los fermiones ocupan espacio, es la

verdadera distinción entre estas dos clases de partículas. Un famoso

teorema de la física, el «teorema de la estadística del espín», nos dice



que las partículas que pueden apilarse unas encima de otras deben

tener espín entero, mientras que las que ocupan espacio han de

tenerlo semientero; al menos en el espacio-tiempo

cuatridimensional, que es el que nos interesa aquí.

Las partículas del Modelo Estándar poseen espines muy definidos.

Todos los fermiones conocidos —quarks, leptones con carga y

neutrinos— tienen espín 1/2. El gravitino, el hipotético compañero

supersimétrico del gravitón, tendría espín 3/2, pero nunca se ha

observado ninguno. El propio gravitón posee espín 2, algo único

entre las partículas elementales. Los otros bosones de gauge —el

fotón, los gluones, los W y el Z— todos tienen espín 1. (La diferencia

entre el gravitón y los demás bosones transmisores de fuerzas se

debe en última instancia al hecho de que la simetría básica de la

gravedad es una simetría del propio espacio-tiempo, mientras que

las otras fuerzas se propagan sobre el espacio- tiempo.) El bosón de

Higgs, a diferencia de todas las demás partículas, posee espín cero.

Las partículas con espín cero se denominan «escalares», y los

campos de los que surgen son «campos escalares».

Es importante distinguir entre el «espín de una partícula» y el «valor

del espín que medimos con respecto a determinado eje».

Supongamos que el momento angular de la Tierra en su rotación

sobre su eje, que va del Polo Sur al Polo Norte, es un cierto número

(grande). Decimos entonces que podríamos imaginar que medimos el

momento angular con respecto a un eje que apunte en la dirección

contraria, de norte a sur. Y el resultado sería el opuesto del valor

original. El momento angular no ha variado, simplemente lo hemos



medido con respecto a un eje diferente. Si observamos el eje original

desde arriba, un espín positivo significa que veremos que el objeto

gira en la dirección contraria a las agujas del reloj, mientras que un

espín negativo implica que lo hace en el sentido de las agujas del

reloj. Para quien la observa verticalmente desde el Polo Norte, la

Tierra rota en sentido contrario a las agujas del reloj, de manera que

tiene espín positivo. (Esto se conoce como la «regla de la mano

derecha»: si encoges los dedos de tu mano derecha en la dirección

en que un objeto rota, el pulgar indica el eje según el cual el espín

es positivo.)

Resultados permitidos al medir el espín intrínseco de una partícula

con respecto a un eje. Si la partícula no tiene masa, solo son posibles

los resultados de los círculos rellenos, mientras que si las partículas

poseen masa, el espín puede tomar los valores tanto de los círculos

rellenos como de los vacíos.

Incluso podemos plantearnos medir el momento angular con



respecto a un eje completamente perpendicular (por ejemplo, uno

que atraviese el ecuador de lado a lado). Con respecto a esa

dirección, la Tierra no rota en absoluto: los polos Norte y Sur

permanecen en la misma posición con respecto a un eje imaginario

que atraviese el ecuador. Por lo tanto, diríamos que el espín medido

con respecto a ese eje es cero.

Igual que el espín total de una partícula está cuantizado, y solo

puede tomar valores de múltiplos enteros o semienteros de h, el

espín que podemos medir también lo está. Debe ser o bien igual al

espín total, o al espín total cambiado de signo, o a algún número

entre ambos, siempre que la diferencia entre ellos sea un número

entero. Para una partícula de espín cero, el único resultado posible

que podemos obtener al medir su espín es cero. Para una partícula

de espín 1/2, podemos obtener +1/2 o -1/2 (eso es todo, no

podríamos obtener otros dos valores cualesquiera aunque

estuviesen separados por una unidad). Para una partícula de espín

1, podríamos obtener +1, -1 o 0. Si medimos 0, eso significa que la

partícula no está rotando, sino simplemente que lo hace a lo largo

de un eje perpendicular al que hemos utilizado para hacer la

medición. Ninguna medición nos dará nunca como resultado 7/13,

o la raíz cuadrada de dos, o ninguna locura por el estilo. La

mecánica cuántica no lo permite.

§. Grados de libertad

En este punto tenemos que trazar una distinción entre las

partículas que poseen masa y las que no la tienen. (¿Ve ahora el



lector la relación con el campo de Higgs?) Resulta que, cuando se

mide el espín de una partícula sin masa, solo se pueden dar dos

resultados: su espín intrínseco con signo positivo o con signo

negativo. (Para las partículas de espín cero ambos coinciden, por lo

que solo hay un resultado posible.) Dicho de otro modo,

independientemente del eje que elijamos, cuando medimos el espín

de una partícula sin masa de espín 1, como el fotón, a lo largo de

dicho eje, obtendremos +1 o -1, pero nunca cero. Para partículas

con espín cero o espín 1/2, esto da igual, porque no se pierde

ningún valor, pero, para partículas con espines mayores, es muy

importante. Cuando medimos el espín de un fotón o un gravitón,

solo podemos obtener dos valores, pero cuando medimos el de un

bosón W o Z, los valores posibles son tres, porque podríamos

obtener cero. En la figura, los círculos rellenos representan los

resultados que podemos obtener cuando medimos el espín de una

partícula sin masa, mientras que para una partícula con masa

podríamos obtener tanto los valores de los círculos rellenos como los

de los vacíos.

El motivo por el que este hecho es tan importante es que cada uno

de los valores del espín permitidos representa un nuevo «grado de

libertad», que es la manera que tienen los físicos de decir «algo que

puede suceder independientemente de que sucedan otras cosas».

Puesto que de lo que se está hablando aquí en realidad es de

campos cuánticos, cada grado de libertad representa una

determinada manera en que el campo puede vibrar. Un campo de

espín cero, como el de Higgs, solo tiene una manera posible de



vibrar. Un campo de espín 1/2, como el del electrón, puede tener

dos tipos de vibraciones, que se corresponden con el giro en el

sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario alrededor de

un eje cualquiera. (Es algo difícil de visualizar, lo reconozco.) Una

partícula sin masa de espín 1, como el fotón, también tiene solo dos

tipos de vibraciones. Pero una partícula con masa de espín 1, como

el bosón Z, tiene tres tipos de vibraciones: con respecto a

determinado eje, puede girar en el sentido de las agujas del reloj, en

sentido contrario, o no girar en absoluto.

Puede parecer algo confuso, pero si repasamos la discusión del

mecanismo de Higgs del capítulo 11 vemos que ayuda a entender lo

que sucede cuando se rompe espontáneamente una simetría local.

Recuerde que en el Modelo Estándar hemos empezado (antes de la

ruptura de simetría) con tres bosones de gauge sin masa y cuatro

bosones de Higgs escalares. Contemos el número de grados de

libertad: dos por cada uno de los tres bosones de gauge sin masa,

más uno por cada uno de los cuatro escalares, lo que da un total de

2 × 3 + 4 = 10. Tras la ruptura de simetría, tres de los escalares son

engullidos por los bosones de gauge, que adquieren masa, dejando

un único escalar con masa que observamos como el bosón de Higgs.

Ahora contemos de nuevo los grados de libertad: tres por cada uno

de los tres bosones de gauge con masa, más uno por el bosón

escalar restante, para un total de 3 × 3 + 1 = 10. Coinciden. La

ruptura espontánea de simetría no crea ni destruye grados de

libertad, simplemente, los mezcla.

Contar grados de libertad ayuda a explicar por qué los bosones de



gauge carecen de masa sin el Higgs. Para empezar, los bosones de

gauge existen porque hay una simetría local —una simetría que

opera por separado en cada punto del espacio— y necesitamos

definir campos de conexión que relacionen las operaciones de

simetría en distintos puntos. Resulta que se necesitan exactamente

dos grados de libertad para definir este tipo de campo. (Créame. Es

difícil encontrar una manera razonable de explicarlo sin profundizar

en las matemáticas.) Cuando tenemos una partícula de espín 1 o 2

con solo dos grados de libertad, inevitablemente esa partícula carece

de masa. El campo de Higgs es un grado de libertad completamente

separado; cuando los bosones de gauge lo engullen, adquieren

masa. Si no hubiese grados de libertad adicionales disponibles, los

bosones de gauge no habrían podido adquirir masa, como sucede

con las demás fuerzas conocidas.

Con suerte, esto ayudará a explicar por qué los físicos tenían tanta

confianza en que algo como el Higgs debía existir, incluso antes de

que se hubiese descubierto. En cierto sentido, ya se había

descubierto: tres de los cuatro bosones escalares ya estaban ahí,

como las partes de espín cero de los bosones con masa W y Z. Lo

único que faltaba era encontrar el cuarto.

§. Por qué los fermiones carecen de masa sin el Higgs

He aquí la razón por la que el hecho de que los fermiones tengan

masa requiere una explicación. Fíjese en que el argumento de los

grados de libertad que hemos utilizado para los bosones de gauge

no es relevante en este caso: un fermión de espín 1/2 tiene dos



valores posibles del espín, con independencia de que tenga masa o

no.

Pensemos primero en una partícula con masa de espín 1/2, como el

electrón. Imaginemos que se aleja directamente de nosotros, y

medimos que su espín, a lo largo de un eje que apunta en la

dirección de su movimiento, es de +1/2. Pero podemos imaginar que

aceleramos hasta empezar a recortarle distancia al electrón; es

decir, nos estamos moviendo hacia él. No ha variado nada intrínseco

al electrón, incluido su espín, pero sí lo ha hecho su velocidad con

respecto a nosotros. Definimos una magnitud llamada «helicidad» de

una partícula, que es el espín medido a lo largo del eje definido por

su movimiento. La helicidad pasa de ser +1/2 a -1/2, y lo único que

hemos hecho ha sido alterar nuestro propio movimiento, no hemos

tocado el electrón para nada. Claramente, la helicidad no es una

propiedad intrínseca de la partícula, sino que depende de cómo la

observemos.

Consideremos ahora un fermión sin masa de espín 1/2 (como sería

el electrón sin la ruptura espontánea de simetría). Supongamos que

se aleja de nosotros y que medimos que su espín, a lo largo del eje

definido por la dirección de su movimiento, es de +1/2, de manera

que su helicidad es de +1/2. En este caso, el fermión se mueve

necesariamente a la velocidad de la luz (porque eso es lo que hacen

las partículas sin masa). Por tanto, no podemos alcanzarlo y alterar

así la dirección de su movimiento aparente. Cualquier observador en

el universo verá que la helicidad de esta partícula sin masa tiene un

único valor. En otras palabras, para partículas sin masa, la



helicidad es una magnitud bien definida, con independencia de

quién la mida, a diferencia de lo que sucede con las partículas que

tienen masa. Una partícula con helicidad positiva es «dextrógira»

(gira en sentido contrario a las agujas del reloj cuando viene hacia

nosotros), mientras que una partícula de helicidad negativa es

«levógira» (cuando se aproxima a nosotros, gira en el sentido de las

agujas del reloj).

Y el motivo por el que todo esto es importante es que las

interacciones débiles se acoplan con los fermiones que poseen un

tipo de helicidad, pero no con los otros. En particular, antes de que

aparezca el bosón de Higgs y rompa la simetría, los bosones de

gauge sin masa de las interacciones débiles se acoplan con los

fermiones levógiros, pero no con los dextrógiros, y también con los

antifermiones dextrógiros, pero no con los levógiros. No me pregunte

por qué funciona así la naturaleza, lo único que sabemos es que es

lo que necesitamos para que los datos cuadren. La fuerza fuerte, la

gravedad y el electromagnetismo se acoplan por igual con las

partículas levógiras y dextrógiras, pero la fuerza débil no. Eso

explica también por qué las interacciones débiles violan la paridad:

cuando miramos al mundo a través de un espejo la izquierda y la

derecha se intercambian.

El hecho de que una fuerza se acople con una helicidad pero no con

la otra obviamente no tiene ningún sentido si la helicidad es distinta

para observadores que se mueven a diferentes velocidades. O la

fuerza débil se acopla a una partícula, o no lo hace. Si la fuerza

débil se acopla únicamente a las partículas levógiras y a las



antipartículas dextrógiras, debe ser cierto que dichas partículas

poseen una helicidad definida y constante. Y eso solo puede suceder

si se mueven a la velocidad de la luz. Lo cual, por último, significa

que deben tener masa nula.

Si asumimos lo anterior, eso nos ayudará a entender en parte por

qué he dado tantas vueltas en nuestro primer intento de definir el

Modelo Estándar. He dicho que los fermiones conocidos aparecen en

parejas, que serían simétricas si no fuese por la presencia del Higgs

en el espacio vacío. Los quarks up y down forman una pareja, los

electrones y los neutrinos electrónicos forman otra pareja, etcétera.

Pero en realidad son solo quarks up y down levógiros los que forman

una pareja simétrica; no existe una simetría local que conecte los

quarks up y los quark down dextrógiros, y lo mismo sucede con el

electrón y su neutrino. (En la versión original del Modelo Estándar,

se pensaba que los neutrinos no tenían masa, y los neutrinos

dextrógiros ni siquiera existían. Ahora sabemos que los neutrinos

poseen una masa pequeña, pero la situación de los neutrinos

dextrógiros sigue sin estar clara.) Una vez que el Higgs ocupa todo el

espacio, la simetría débil se rompe y los quarks y leptones cargados

que se observan poseen todos masa, y pueden tener helicidad

dextrógira o levógira.

Ahora vemos por qué se necesita el bosón de Higgs para que los

fermiones del Modelo Estándar tengan masa. Si la simetría de la

interacción débil no estuviese rota, la helicidad sería una propiedad

fija de cada fermión, lo que significaría que ninguno de ellos tendría

masa y todos se moverían a la velocidad de la luz. Todo se debe a



que las interacciones débiles distinguen entre izquierda y derecha.

Si eso no fuese así, no habría ningún obstáculo para que los

fermiones tuviesen masa, tanto con el Higgs como sin él. De hecho,

el propio Higgs es un campo escalar con masa. Pero no es que el

Higgs se proporcione la masa a sí mismo, sino que simplemente la

tiene, porque no hay ningún motivo por el que no hubiera de

tenerla.



Apéndice 2

Las partículas del Modelo Estándar

A lo largo del libro he hablado de las diversas partículas del Modelo

Estándar, pero no siempre de manera sistemática. Aquí ofrezco un

resumen de las partículas y sus propiedades.

Hay dos tipos de partículas elementales: los fermiones y los

bosones. Los fermiones ocupan espacio. Esto es, no se pueden

poner dos fermiones idénticos uno encima de otro exactamente en la

misma configuración. Forman por tanto la base de los objetos

sólidos, de las estrellas de neutrones a las mesas. Los bosones se

pueden apilar unos encima de otros tanto como se quiera. Son así

capaces de crear campos de fuerza macroscópicos, como el

electromagnético o el gravitatorio.

§. Los fermiones

Empecemos por los fermiones. En el Modelo Estándar hay doce

fermiones, clasificados siguiendo patrones bien definidos. Los

fermiones sensibles a la fuerza nuclear fuerte son los quarks, y los

que no lo son se llaman leptones. Hay seis tipos de quarks y seis

tipos de leptones, organizados en tres pares, cada uno de los cuales

constituye una generación. El espín de un fermión debe ser igual a

un número semientero. Todos los fermiones elementales conocidos

son partículas de espín 1/2.

Existen tres quarks de tipo up, con carga eléctrica de +2/3 cada

uno. En orden de masa creciente, son el quark up, el charm y el top.



También existen tres quarks de tipo down, con carga de -1/3 cada

uno: el quark down, el strange y el bottom.

Los fermiones elementales, con sus cargas eléctricas y sus masas

aproximadas. Las masas de los neutrinos aún no se han medido con

precisión, pero todos ellos son más ligeros que el electrón. Las masas

de los quarks también son aproximadas: es difícil medirlas, porque

los quarks están confinados en el interior de los hadrones.

Cada tipo de quark puede existir en tres colores. Sería

perfectamente legítimo contar cada color como un tipo distinto de

partícula (en cuyo caso habría dieciocho tipos de quarks, no solo

seis), pero puesto que los colores están todos relacionados entre sí

por la simetría de las interacciones fuertes, que no está rota,

normalmente no lo hacemos. Todas las partículas con color están

confinadas en combinaciones sin color que llamamos «hadrones».

Hay dos tipos sencillos de hadrones: los mesones, que están



formados por un quark y un antiquark, y los bariones, que están

compuestos por tres quarks, cada uno de ellos de un color distinto

(rojo, verde y azul). Los protones (dos ups y un down) y los

neutrones (dos downs y un up) son ambos bariones. Un ejemplo de

mesón es el pión, del que existen tres variedades: una con carga

positiva (up y antidown), una con carga negativa (down y antiup) y

una neutra (combinación de up-antiup y down- antidown).

A diferencia de los quarks, los leptones no están confinados: cada

uno puede moverse independientemente por el espacio. Los seis

leptones también se clasifican en tres generaciones, cada una de

ellas con una partícula neutra y otra con carga -1. Los leptones con

carga son el electrón, el muón y el tau. Los leptones neutros son los

neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino

tauónico. No entendemos muy bien las masas de los neutrinos, que

no surgen de la misma manera que las del resto de los fermiones del

Modelo Estándar, así que en este libro prácticamente las he

ignorado. Sabemos que son pequeñas (menores de un

electronvoltio), pero no nulas.

En realidad se pueden ver los doce fermiones como seis pares de

partículas. Cada leptón con carga tiene su neutrino asociado,

mientras que los quarks up y down forman otro par, igual que los

charm y strange y los top y bottom. Como ejemplo de estos

emparejamientos en la práctica, cuando un bosón W- se desintegra

en un electrón y un antineutrino, siempre es un antineutrino

electrónico. De manera análoga, cuando un bosón W- se desintegra

en un muón, siempre lo hace acompañado de un antineutrino



muónico, etcétera. (Me gustaría poder decir lo mismo de los quarks,

pero lo cierto es que estos se combinan sutilmente entre sí.) Las

partículas que forman cada pareja tendrían idénticas propiedades si

no fuese por la escurridiza influencia del campo de Higgs. En el

mundo que observamos, las partículas que componen cada par

poseen distintas masas y cargas eléctricas, debido a que el Higgs

oculta su naturaleza simétrica subyacente.

¿Es posible que los quarks y los leptones no sean realmente

elementales, y que estén compuestos de partículas de un nivel aún

más pequeño? Desde luego que es posible. Los físicos no tienen

ningún interés particular en que las partículas actuales sean

verdaderamente elementales. Les encantaría encontrar aún más

misterios ocultos en su interior, y han dedicado bastante tiempo a

inventar modelos en ese sentido y a comprobarlos

experimentalmente. Las hipotéticas partículas que compondrían los

quarks y los leptones incluso tienen nombre: «preones». Lo que no

tienen es ninguna evidencia experimental que los avale ni, de hecho,

una teoría sugerente. El consenso actual es que parece que los

quarks y los leptones son verdaderamente elementales, y no

compuestos de algún otro tipo de partícula. Pero siempre nos

podemos llevar una sorpresa.

§. Los bosones

Pasemos ahora a los bosones, que siempre tienen espín con valor

entero. El Modelo Estándar contempla cuatro tipos de bosones de

gauge, cada uno de los cuales surge de una simetría local de la



naturaleza y se corresponde con una determinada fuerza.

Los fotones, que transmiten la fuerza electromagnética, son

partículas sin masa ni carga eléctrica y con espín 1. Los gluones,

transmisores de la fuerza nuclear fuerte, también carecen de masa y

de carga eléctrica, y poseen espín 1. Una diferencia importante entre

ambos es que los gluones tienen color, por lo que están confinados

en el interior de los hadrones, igual que los quarks. Debido a estos

colores, en realidad existen ocho tipos distintos de gluones, pero

como están relacionados mediante una simetría que no está rota, no

nos preocupamos en ponerles etiquetas específicas.

Los gravitones, que transmiten la gravedad, carecen igualmente de

masa y de carga eléctrica, pero tienen espín 2. Los propios

gravitones interactúan con la gravedad —porque todas las

partículas lo hacen—, pero en general la gravedad es tan débil que

su influencia se puede omitir. (Las cosas cambian, desde luego,

cuando se acumula una gran cantidad de masa, que produce un

campo gravitatorio intenso.) De hecho, la debilidad de la gravedad

significa que el gravitón es por lo general irrelevante para la física de

partículas, al menos dentro del Modelo Estándar. Como no

disponemos de una teoría completa de la gravedad cuántica, y

puesto que es prácticamente imposible detectar los gravitones

individuales, hay mucha gente que no los incluye como partícula,

aunque hay bastantes motivos para pensar que es real.

La fuerza débil la transmiten los bosones W, con carga, y el Z,

neutro. Los tres poseen espín 1 y también tienen masa y, cuando se

producen, se desintegran rápidamente. La ruptura de simetría



debida al campo de Higgs es la responsable de que estos tres

bosones adquieran masa y se diferencien entre sí. Si no fuese por el

Higgs, los bosones W y Z serían más bien como los gluones, pero

solo habría tres variedades en lugar de ocho.

Las partículas transmisoras de carga: los bosones. Las masas se

miden en gigaelectronvoltios (GeV).

A diferencia de las tres fuerzas mencionadas previamente, la fuerza

débil es tan tenue, que ni siquiera es capaz por sí sola de mantener

dos partículas unidas. Cuando otras partículas interactúan a través

de la fuerza débil, caben básicamente dos posibilidades: dos

partículas pueden dispersarse mutuamente mediante el intercambio

de un W o un Z, o un fermión con masa puede desintegrarse en otro

fermión más ligero emitiendo un W, que a su vez se desintegra en

otras partículas. Estos procesos desempeñan un rol fundamental en

la búsqueda de nuevas partículas en el LHC.

El propio Higgs es un bosón escalar, lo que significa que su espín es

cero. A diferencia de los bosones de gauge, no surge de una



simetría, y no hay ninguna razón para suponer que su masa debería

ser cero (o ni siquiera pequeña). Podemos hablar de una «fuerza» de

Higgs, que incluso podría ser relevante para detectar materia oscura

en los experimentos que se llevan a cabo a gran profundidad bajo

tierra. Pero el gran interés que suscita el Higgs se debe al hecho de

que el campo en el que se basa toma un valor distinto de cero en el

espacio vacío, y su presencia influye en otras partículas al hacer

que adquieran masa.

Tabla que resume qué partículas (bosones y fermiones) interactúan

con qué fuerzas. Los fotones transmiten la fuerza electromagnética,

pero no interactúan directamente con ellos mismos, ya que son

eléctricamente neutros. El origen de la masa del neutrino sigue siendo

un misterio, por lo que se desconoce cómo interactúan con el Higgs.

Si el lector ha llegado hasta aquí, probablemente ya haya oído

hablar bastante sobre el Higgs.





Apéndice 3

Las partículas y sus interacciones

Este apéndice, en el que hablaré sobre los diagramas de Feynman,

también es más técnico que el texto principal del libro. Tiene

permiso para saltárselo, o para mirar únicamente las imágenes. El

propio Richard Feynman, cuando inventó los diagramas, pensó que

sería muy divertido si algún día estos pequeños garabatos

estuviesen por todas partes en las revistas científicas. Ese día ya ha

llegado.

Los diagramas de Feynman son una manera sencilla de calcular lo

que puede suceder cuando varias partículas elementales se

aproximan e interactúan. Supongamos, por ejemplo, que queremos

saber si un bosón de Higgs puede desintegrarse en dos fotones.

Sabemos que los fotones no tienen masa, y que el Higgs interactúa

únicamente con partículas con masa, por lo que en primera

instancia cabría suponer que dicha desintegración no se produce.

Pero, concatenando los diagramas de Feynman, podemos descubrir

procesos mediante los cuales se puede conectar el bosón de Higgs

con los fotones a través de partículas virtuales. Un físico iría más

allá, y utilizaría los diagramas para calcular la probabilidad real de

que tal evento se produzca: cada diagrama lleva asociado un

número concreto, y sumando los distintos diagramas se obtiene el

resultado final. No pretendemos ser físicos profesionales, pero aun

así es útil ver qué aspecto tienen en forma de diagramas de

Feynman las distintas interacciones permitidas. Estos diagramas



llevan asociadas muchas reglas. Aquí solo se profundizará en ellos

lo suficiente para hacernos una idea de qué es lo que sucede; si

quiere más información, puede consultar un libro de texto de física

de partículas o de teoría cuántica de campos.

He aquí algunos principios básicos: cada diagrama es una

representación de varias partículas que interactúan entre sí y

cambian de identidad, y el tiempo transcurre de izquierda a

derecha. Las partículas entrantes, que ocupan el extremo izquierdo

del diagrama, y las salientes, que están en el extremo derecho, son

partículas «reales» (tienen masas que figuran en las tablas del zoo de

partículas del apéndice 2). Las partículas que existen únicamente en

el interior del diagrama, que no se escapan de él por ninguno de los

lados, son «virtuales» (su masa puede tomar cualquier valor). Es

importante recalcarlo: las partículas virtuales no son partículas

reales, sino simplemente instrumentos contables que indican cómo

vibran los campos cuánticos durante la interacción entre partículas.

Representaré los fermiones con líneas continuas, los bosones de

gauge mediante líneas onduladas y los bosones escalares (con el

Higgs) con líneas de puntos. Las líneas de los fermiones nunca se

acaban: o bien describen bucles cerrados o se extienden más allá

del principio y/o fin del diagrama. Las líneas de los bosones, por su

parte, pueden perfectamente tener un final, ya sea en líneas de

fermiones o en otras líneas de bosones. El lugar donde se unen

varias líneas se denomina «vértice». En cada vértice, la carga

eléctrica se conserva. Así, si un electrón emite un bosón W para

convertirse en un neutrino, sabemos que debe ser un W-. El número



total de quarks y el de leptones (en los que las antipartículas

cuentan como -1) también se conserva en cada vértice. Podemos

invertir temporalmente cualquier línea simplemente sustituyendo

las partículas por sus antipartículas. Así, si un quark up puede

convertirse en un down emitiendo un W+, un antidown puede

transformarse en un antiup de la misma manera.

Comenzaré representando los diagramas básicos del Modelo

Estándar. Los diagramas más complicados se pueden construir

combinando estos bloques elementales de distintas maneras. No

seré completamente exhaustivo, pero espero que sea suficiente para

que quede claro el patrón básico.

Primero, veamos qué puede sucederle a un único fermión que

aparece por la izquierda. Las líneas de los fermiones no pueden

acabarse, de forma que algún tipo de fermión debe salir por el otro

extremo. Pero podemos emitir un bosón.

Básicamente, si un fermión siente una determinada fuerza, puede

emitir el bosón que transmite dicha fuerza. He aquí varios ejemplos.

Todas las partículas son sensibles a la gravedad, por lo que todas

ellas pueden emitir un gravitón (o absorberlo, si se invierte

temporalmente el diagrama; como sucede con el fotón y con el

Higgs, el gravitón es su propia antipartícula). Aunque aquí estoy

dibujando una línea recta, como si la partícula fuese un fermión,

también existen diagramas equivalentes para todos los bosones.



Fíjese en que este diagrama, y varios de los que veremos a

continuación, describe una partícula que emite otra partícula pero

permanece inalterada. Eso nunca puede suceder aisladamente,

porque la energía no se conservaría. Todos los diagramas como este

deben formar parte de algún diagrama más amplio.

A diferencia de lo que sucede con la gravedad, solo las partículas

con carga son sensibles directamente al electromagnetismo. Un

electrón puede emitir un fotón, pero un neutrino o un Higgs no. Lo

pueden hacer de manera indirecta, a través de diagramas más

complicados, pero no se pueden conseguir mediante ningún vértice

sencillo.

Análogamente, cualquier partícula sensible a las interacciones

fuertes (quarks y gluones) puede emitir gluones. Observemos que

los propios gluones interactúan a través de la fuerza nuclear fuerte,

mientras que los fotones no poseen carga eléctrica: existe un vértice

con tres gluones, pero no hay uno con tres fotones.



Ahora vienen las interacciones débiles, donde las cosas son un poco

más complicadas. El bosón Z es bastante sencillo: cualquier

partícula sensible a las interacciones débiles puede emitir y

continuar su camino tranquilamente. (De nuevo, como parte de un

diagrama más amplio.)

Una vez que llegamos a los bosones W, las cosas se complican un

poco. A diferencia de los otros bosones que hemos comentado, los W

poseen carga eléctrica. Eso significa que no se pueden emitir sin

alterar la identidad de la partícula que los emite, pues de lo

contrario la carga eléctrica no se conservaría. De manera que los

bosones W sirven para realizar la transformación entre los quarks

de tipo up (up, charm, top) en los de tipo down (down, strange,

bottom), así como entre los leptones cargados (electrón, muón, tau)

y sus neutrinos correspondientes.



El bosón de Higgs es muy parecido al Z: cualquier partícula sensible

a la interacción débil puede emitirlo.



Ahora pasamos a los bosones entrantes. Pueden emitir otro bosón o

dividirse en dos fermiones. Sin embargo, puesto que las líneas de

los fermiones no pueden terminar, un bosón debe dividirse en un

fermión y un antifermión. De esa manera, el número total de

fermiones al final es cero, igual que al principio. Existen múltiples

ejemplos. Como puede observar, todos ellos están relacionados con

diagramas que ya se han dibujado, a base de mover las líneas de un

sitio a otro y alternar entre partículas y antipartículas donde sea

apropiado. Como antes, si el bosón entrante no tiene masa,

sabemos que solo puede utilizarse como componente de un

diagrama más amplio, puesto que las partículas sin masa no

pueden desintegrarse en otras con masa si se ha de conservar la

energía. (Una manera de verlo es que la combinación de dos

partículas con masa debe tener un «sistema de referencia en reposo»

en el que el momento total es cero, mientras que para una única

partícula sin masa no existe estado en reposo.)



El único diagrama fundamental que nos queda por ver es el de la

interacción del Higgs consigo mismo (puede dividirse en dos o tres

copias). Claramente, esto violaría la conservación de la energía a

menos que estuviese incorporado a un diagrama más amplio.



La diversión comienza realmente al combinar estos diagramas

fundamentales para crear otros más grandes. Lo único que hay que

hacer es unir las líneas que describen las partículas

correspondientes: unir un electrón con un electrón, y así para el

resto. Si partimos de los diagramas que hemos visto hasta ahora,

puede que tengamos que alternar algunas líneas entre derecha e

izquierda y convertir algunas partículas en sus antipartículas para

que la cosa funcione.

Por ejemplo, pongamos que queremos saber cómo puede

desintegrarse un muón. Vemos que existe un diagrama en el que un

muón emite un W- y se convierte en un neutrino muónico. Pero eso

no puede suceder de forma aislada, porque el W es más pesado que

el muón. Ningún problema: todo va bien siempre que el W sea

virtual y se desintegre en algo más ligero que el muón, como un

electrón y su neutrino. Lo único que hemos de hacer es conectar las

líneas del W- de dos de los diagramas anteriores de una manera

consistente.



También podemos hacer que las líneas se cierren sobre sí mismas y

formen bucles. El siguiente diagrama representa una contribución

importante en la búsqueda del Higgs en el LHC: la desintegración

del Higgs en dos fotones. El bucle de partículas virtuales en el medio

podría contener cualquier partícula que se acople tanto con el Higgs

(para que exista el vértice de la izquierda) como con los fotones (para

que existan los de la derecha). Las partículas cuyo acoplamiento sea

mayor serán las que más contribuyan. En este caso, será el quark

top, que es la partícula de mayor masa del Modelo Estándar, y por

lo tanto aquella que se acopla con mayor intensidad con el Higgs.

Finalmente, he aquí varias vías importantes en que se producen

bosones de Higgs en el LHC antes de que se desintegren. Está la

«fusión de gluones», en la que dos gluones se unen y producen un



Higgs. Como los gluones no tienen masa, el proceso debe incluir

una partícula virtual con masa que sea sensible a la interacción

fuerte; es decir, un quark.

También está la «fusión de bosones vectoriales» (que hace referencia

al hecho de que a los bosones W y Z a veces se les llama «bosones

vectoriales»). Puesto que tienen masa, se pueden combinar

directamente para producir un Higgs.

Por último, existen dos tipos distintos de «producción asociada», en

la que junto al Higgs se produce alguna otra cosa: o bien un bosón

W o Z, o un par quark-antiquark.



Con lo que hay que quedarse de todo esto no es tanto con los

detalles de todos los distintos procesos que contribuyen a la

producción y desintegración del Higgs como con la idea de que

ambos procesos son complicados, que proceden de un conjunto de

posibilidades diversas y que disponemos de reglas definidas que nos

permiten calcular cuáles son. Resulta asombroso pensar que estas

pequeñas viñetas captan una verdad tan profunda del

comportamiento microscópico del mundo natural.



Lecturas adicionales

Aczel, Amir, Present at the Creation: The Story ofCERN and the

Large Hadron Collider, Nueva York, Crown Publishers, 2010.

CERN. CERN faq: LHC, the guide.

<http://cds.cern.ch/record/1165534>, 2009.

Close, Frank, The Infinity Puzzle: Quantum Field Theory and the

Hunt for an Orderly Universe, Nueva York, Basic Books, 2011.

Crease, Robert R, y Charles C. Mann, The Second Creation:

Makers of the Revolution in Twentieth Century Physics, Nueva

York, Collier Books, 1986.

Halpern, Paul, Collider: The Search for the World's Smallest

Particles, Hoboken, New Jersey, Wiley, 2009.

Kane, Gordon, The Particle Garden: The Universe as Understood

by Particle Physicists, Nueva York, Perseus Books, 1995.

Lederman, León, con Dick Teresi, The God Particle: If the

Universe Is the Answer, What's the Question?, Boston,

Massachusetts, Houghton Mifflin, 2006 (hay trad. cast.: La

partícula divina, Barcelona, Planeta, 2013).

Lincoln, Don, The Quantum Frontier: The Large Hadron Collider,

Baltimore, Maryland, Johns Hopkins University Press, 2009.

Panek, Richard, The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark

Energy, and the Race to Discover the Rest ofReality, Boston,

Massachusetts, Mariner Books, 2011.

Randall, Lisa, Knocking on Heaven's Door: How Physics and

Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern

World, Nueva York, Ecco, 2011.

http://cds.cern.ch/record/1165534



Sample, Ian, Massive: The Missing Particle That Sparked the

Greatest Hunt in Science, Nueva York, Basic Books, 2010.

Taubes, Gary, Nobel Dreams: Power, Deceit, and the Ultímate

Experiment, Nueva York, Random House, 1986.

Traweek, Sharon, Beamtimes and Lifetimes: The World of High

Energy

Physicists, Cambridge, Massachusetts, Harvard University

Press, 1988. Weinberg, Steve, Dreams of a Final Theory, Nueva

York, Vintage, 1992 (hay trad. cast.: El sueño de una teoría

final, Barcelona, Crítica, 2010).

Wilczek, Frank, The Lightness of Being: Mass, Ether, and the

Unification of Forces, Nueva York, Basic Books, 2008 (hay trad.

cast.: La ligereza del ser: masa, éter y la unificación de fuerzas,

Barcelona, Crítica, 2009).



Referencias

Las referencias se refieren a palabras clave dentro del texto

principal. Con la única excepción del capítulo 11, «Sueños del

Nobel», donde incluyo dos listas adicionales: una para las historias

personales de las personas involucradas en los artículos de 1964

sobre la ruptura de simetría y otra que incluye todos los artículos

técnicos mencionados en la discusión.

Prólogo

Hewett.

Evans: entrevista, 4 de julio de 2012.

Higgs

1. La idea

Faraday

Heuer

2. A vueltas con lo divino

Lederman y Teresi, The God Partióle, p. xi.

Higgs

4. La historia del acelerador

Janot: V. Jamieson, «CERN Extends Search for Higgs», Physics

World, octubre de 2000.

Watts: mensaje privado de correo electrónico, 4 de abril de

2012.

Hewett: entrevista, 23 de febrero de 2012.

Schwitters y Bloembergen: mencionado en Kelves, prefacio a la

edición de 1995 de The Physicists: The History of a Scientific

Commimity in Modern America.

http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2008/09/11/%20giddy-%20physicists/

http://www.newscientist.com/article/dn22033-peter-higgs-boson-discovery-like-being-hit-by-a-wave.html?full=true

http://bit.ly/ynX3dL

http://www.guardian.co.uk/science/2011/dec/13/higgs-boson-seminar-god-particle

http://physicsworld.com/cws/article/indepth/2012/jun/28/peter-higgs-in-%20the-spodight



Park: mencionado en Weinberg, Dreams of a Final Theory, p.

54.

Anderson: carta al editor, The New York Times, 21 de mayo de

1987.

Krumhansl: Sample, Massive, p. 115.

5. La máquina más grande jamás construida

Evans, «carnicería»: entrevista, 4 de julio de 2012.

Baguette

Evans

Evans

Giudice: A Zeptospace Odyssey, pp. 103-104.

Evans, fiesta de verano: entrevista, 4 de julio de 2012.

Anderson: Eugene Cowan, «The Picture That Was Not

Reversed», Engineering and Science 46, 6 (1982).

Comunicado de prensa del CERN

Computación por capas: Brumfield

Gianotti: entrevista, 3 de mayo de 2012.

Greek Security Team: Roger Highfield,

8. A través de un espejo roto

Yang y Pauli: Cióse, The Infinity Puzzle, p. 88.

9. El mundo a sus pies

Telegraph

viXra log

Actualización del CERN.

Gianotti

http://www.telegraph.co.uk/science/large-hadron-

http://www.elements-science.co.uk/2011/ll/the-man-who-built-the-

http://www.nature.com/news/2008/081217/fulE456862a.html

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10. Difundiendo el mensaje

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The Daily Mail

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Dorigo

Conwayl

Conway2

Conway3

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Picozza y Cirelli

Lykken

Woit

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Schmitt

Ouellette

«Large Hadron Rap»

Kaplan: entrevista, 20 de mayo de 2012. Particle Fever.

11. Sueños del Nobel

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http://www.smbc-comics.com/index.php?db=comics&id=2088

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Evans: entrevista, 4 de julio de 2012.

Apéndices

Para más información sobre la helicidad, véase F. Tanedo,

«Helicity, Chirality, Mass, and the Higgs», < >.

http://quantumdiaries.org/2011/06/19/helicity-%20chirality-mass-and-the-higgs/



Agradecimientos

Me gano la vida como físico, pero mi especialidad es la gravitación

teórica y la cosmología; en la física de partículas soy casi un turista,

y no he participado directamente en un experimento desde que

estudiaba la carrera. Estoy enormemente agradecido a un gran

número de personas que generosamente me ayudaron a lo largo de

este proyecto, tanto al compartir sus conocimientos como leyendo

los borradores del libro.

Un buen número de físicos que se ganan la vida con esto tuvieron la

amabilidad de acceder a ser entrevistados para este libro, ya fuese

por teléfono o por correo electrónico. Es para mí un placer agradecer

a Philip Anderson, John Conway, Gerald Guralnik, Fabiola Gianotti,

JoAnne Hewett, Joe Incandela, Gordy Kane, David Kaplan, Mike

Lamont, Joe Lykken, Jack Steinberger, Gordon Watts, Frank

Wilczek y Sau Lan Wu las conversaciones que mantuvimos, que me

resultaron extraordinariamente útiles. Ni que decir tiene que asumo

la responsabilidad por todos los posibles errores, y pido disculpas

por utilizar solo una minúscula parte de todas las historias que me

contaron.

También tuve la suerte de contar con la ayuda tanto de físicos

profesionales como de amantes de la ciencia que respondieron a

cuestiones específicas o me ofrecieron sus comentarios sobre el

texto. Muchas gracias a Allyson Beatrice, Dan Birman, Matt

Buckley, Alicia Chang, Lauren Gunderson, Kevin Hand, Ann

Kottner, Rick Loverd, Rusi Mchedlishvili, Philip Phillips, Abbas



Raza, Henry Reich, Ira Rothstein, María Spiropulu, David Saltzberg,

Matt Strassler y Zach Weinersmith por dedicar tiempo a leer el libro

y a hacerme comentarios al respecto, que han mejorado un millón

de veces el manuscrito original. Un agradecimiento especial para

Zach por compartir el cómic reproducido en el cuadernillo. Sobran

las palabras.

Gracias a mis alumnos y colaboradores, que una vez más

demostraron tener una gran paciencia conmigo cuando desaparecía

durante largos períodos de tiempo. (Al menos, parecían pacientes

desde mi punto de vista.) Aprovecho también para expresar mi

agradecimiento a todos los lectores de nuestro blog, Cosmic

Variance, y a todas las personas que han asistido a mis charlas

sobre estos temas. El genuino entusiasmo que despiertan la ciencia

y el aprendizaje, y que con tanta frecuencia percibo, es para mí

fuente constante de asombro y satisfacción.

Sin mi editor, Stephen Morrow, y la gente encantadora de Dutton,

es muy probable que nunca me hubiera embarcado en este libro, y

desde luego el resultado no habría sido ni remotamente tan bueno.

Sin mis agentes, Katinka Matson y John Brockman, probablemente

ni siquiera habría escrito ningún libro.

En la dedicatoria de su famoso libro Gravitation, Charles Misner,

Kip Thorne y John Wheeler expresaban su gratitud hacia sus

conciudadanos por apoyar las grandes inversiones científicas. En

proyectos enormes, como el del Gran Colisionador de Hadrones,

hace falta más que una pequeña contribución gubernamental, junto

con un impresionante grado de colaboración internacional. Mi



sincero agradecimiento a todas aquellas personas de todos los

países del mundo que contribuyen a hacer posible la búsqueda para

descubrir los secretos mejor guardados de la naturaleza. Hacer

llegar al gran público las maravillas que hemos encontrado es lo

menos que podemos hacer.

Me enamoré de la brillante escritora Jennifer Ouellette por su

deslumbrante físico, su penetrante intelecto y su atractiva

personalidad, no por su infinita paciencia y su inestimable ayuda a

la hora de escribir libros. Pero son virtudes que nunca están de

más. Para ella, mi amor y agradecimiento eternos.



Imágenes





























El autor

Sean Carroll es físico teórico en California Institute of Technology,

Caltech, especializado en cosmología, teoría de campos y

gravitación. Es autor de From Eternity to Here:

The Quest for the Ultimate Theory of Time

(Dutton, 2010) y del libro de texto para cursos de

doctorado Spacetime and Geometry: An

Introduction to General Relativity. También ha

grabado una serie de 24 clases de 30 minutos

sobre cosmología, tituladas Dark Matter, Dark

Energy: The Dark Side of the Universe. Tras doctorarse en Harvard

continuó sus investigaciones en cosmología, física de partículas y

gravitación. Es uno de los fundadores del blog colectivo Cosmic

Variance. Sean Carroll vive en Los Angeles con su mujer, la

escritora Jennifer Ouellette.

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La partícula al final de universo